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Flows in nature and technology are often associated with specific structures and pattern. This paper deals with the development and behaviour of such flow pattern. Flow structures are important for the mass, momentum and energy transport. The behaviour of different flow pattern is used by engineers to obtain an efficient mass and energy consumption. Mechanical power is transmitted via the momentum of rotating machine parts. Therefore the physical and mathematical knowledge of these basic concepts is important. Theoretical and experimental investigations of principle experiments are described in the following. We start with the classical problem of the flow between two concentric cylinders where the inner cylinder rotates. Periodic instabilities occur which are called Taylor vortices. The analogy between the cylindrical gap flow, the heat transfer in a horizontal fluid layer exposed to the gravity field and the boundary layer flow along concave boundaries concerning their stability behaviour is addressed. The vortex breakdown phenomenon in a cylinder with rotating cover is also described. A generalization to spherical sectors leads then to investigations with different boundary conditions. The spherical gap flow exhibits interesting phenomena concerning the nonlinear character of the Navier-Stokes equations. Multiple solutions in the nonlinear regime give rise to different routes during the laminar-turbulent transition. The interaction of two rotating spheres results in flow structures with separation and stagnation lines. Experimental results are confirmed by numerical simulations.
Im Rahmen energieeffizienter Umströmungsprozesse sind Verfahren zur Entwicklung optimaler Körperformen notwendig. In einem Verbundforschungsvorhaben wird mit unterschiedlichen Methoden an diesem Ziel gearbeitet. Ausgehend von der umströmten Scheibe wird eine optimalere Körperform durch Simulation ermittelt.
The structure of the separation bubble that appears in the secondary meridional flow between two coaxially rotating spheres at low and finite Reynolds number (Re) is considered. The low Re analytical study was motivated by recognizing some errors in the analytical work on this problem by Arunachalam and Majhi (1987, Q. Jl Mech. Appl. Math., 40, 47) whilst the finite Re experimental study was motivated by the desire to observe the separation bubble in the laboratory. Though the finite Re experiments were performed in a confined apparatus, they exhibit the qualitative features of the low Re theoretical predictions for the axisymmetric separation bubble that encloses two toroidal vortices symmetrically disposed above and below the mid‐plane of sphere separation, but strong effects of confinement are apparent. The flows observed include (i) a wall‐attached bubble symmetric about the mid‐plane at low Re, (ii) symmetric free‐standing bubbles at moderate Re, and (iii) an asymmetric bubble with flow separating from one sphere and attaching to the support shaft between the spheres at sufficiently high Re.
We generalize the fluid flow problem of an oscillating flat plate (II. Stokes problem) in two directions. We discuss first the oscillating porous flat plate with superimposed blowing or suction. The second generalization is concerned with an increasing or decreasing velocity amplitude of the oscillating flat plate. Finally we show that a combination of both effects is possible as well.
Der allgegenwärtige Einsatz von numerischen Strömungssimulationen, wie sie in der Industrie oder der Luft- und Raumfahrt vorkommen, führt zu einem deutlichen Anstieg der benötigten Möglichkeiten und erhöhten Ansprüche an die Programme. Dadurch können mittlerweile auch komplexe Szenarien zuverlässig simuliert werden, was durch die stetige Steigerung der Rechenleistung weiter an Bedeutung gewinnt. Da auch das Verhalten von nicht newtonschen Fluiden immer präziser über speziell erstellte rheologische Modelle vorhergesagt werden kann, gilt es nun zu prüfen, ob und wie gut diese Modelle in einer Simulation umgesetzt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Simulation anhand eines konkreten Anwendungsfalles erstellt. Dabei wird das Viskositätsverhalten von drei scherverdünnenden Fluiden in einer Rohrleitung mit Querschnittreduzierung untersucht und dabei die Vorgehensweise geschildert. So wird unter anderem gezeigt, wie die Geometrie und deren Vernetzung durchzuführen ist und erklärt, welche Einstellungen für das gewünschte Strömungsverhalten erforderlich sind. Für die Beschreibung der Fluide werden dabei sowohl programmeigene Modelle als auch erweiterte Modelle verwendet, die in der Software implementiert werden müssen.
Bei dem Vergleich der Ergebnisse werden letztlich die Druckverluste, die in der Geometrie entstehen und verschiedene Schubspannungsverläufe mit den Messwerten aus der Literatur verglichen.
Grundzüge der Strömungslehre
(2015)
Dieses erfolgreiche, didaktisch ausgereifte Lehrbuch wurde im Bereich der Übungsaufgaben erweitert. Leserhinweise wurden eingearbeitet. Es zeichnet sich durch eine prägnant kurze, mathematisch verständliche und anwendbare Einführung in die Grundlagen aus und hilft dem Leser, sein Verständnis durch Übungen mit kompletten Lösungen zu vertiefen.