On an integral method for backward boundary layers

Zusammenfassung Eine Integralmethode für die Lösung von zweidimensionalen Grenzschichtgleichungen wird entwickelt für Fälle, in denen die Lösungen sich anfänglich wie diejenigen von End-Grenzschichten benehmen. Diese Lösungen sind von Goldstein behandelt worden. Die bedeutendste Anwendung betrifft den Fall, wo ein zweidimensionaler Strom gegen eine Öffnung fliesst, durch welche die Flüssigkeit entleert wird. In erster Annäherung wird die Grenzschichtströmung für grosse Entfernungen von der Öffnung durch die Ähnlichkeitsgesetze der konvergenten Strömung in einem keilförmigen Kanal beschrieben. Um Strömungen dieser Art zu studieren, die über lange Entfernungen laufen, wird die Geschwindigkeit am Rande der Grenzschicht an Stelle der Entfernung längs der Grenzschicht als unabhängige Veränderliche eingeführt. Die beschriebene Methode wird auf den Fall der Strömung in Richtung eines Schlitzes angewendet, ausgehend von einem unendlichen Halbraum, ferner auf den Fall einer Strömung um eine endliche Platte, die senkrecht zur Strömungsrichtung steht. In beiden Beispielen ist die Potentialströmung in der Form des Kirchhoff-Rayleighschen Gesetzes angenommen, wobei die freien Stromlinien an die scharfen Kanten gebunden sind. Die Methode wird verallgemeinert, so dass sie für allgemeinere End-Grenzschichten benutzt werden kann. Die Resultate stimmen ausgezeichnet mit denen der Methode von Thwaites sowie mit den Ähnlichkeitslösungen von Falkner-Skan überein.     

Rotational-flow analysis of plane right-angle bends

Zusammenfassung Nach einem Verfahren, das als Methode der gefrorenen Wirbel bezeichnet wird, werden ebene Strömungen durch einen Krümmer berechnet. Der Grundgedanke des Verfahrens besteht darin, die Wirbelstärke näherungsweise als eine Funktion der Stromfunktion allein anzusetzen. Man wird so auf eine Poisson-Gleichung für die Stromfunktion geführt. Die Rechnungen werden durchgeführt für Geschwindigkeitsverteilungen im Eintrittsquerschnitt, die der ausgebildeten laminaren und turbulenten Strömung entsprechen. Am Beispiel der Laminarströmung wird der Einfluss vorgegebener Wirbelverteilungen und Ausflussbedingungen auf die Strömung in den verschiedenen Bereichen des durchströmten Raumes untersucht. Bei den Berechnungen mit Geschwindigkeitsprofilen, die der turbulenten Strömung entsprechen, wurden zudem die Einflüsse der Krümmung und der Art der Zuströmung betrachtet, wobei der Krümmungsradius vom 0,75fachen bis zum 4fachen der Kanalbreite variiert wurde. Das Verhältnis des Mittelwertes der Geschwindigkeit im Eintrittsquerschnitt zur Geschwindigkeit in der Mitte dieses Querschnittes erweist sich dabei als ein hydrodynamisch charakteristischer Parameter, während die Annahmen über die Geschwindigkeitsverteilung am Austritt nur von geringfügigem Einfluss sind. Bei scharfer Krümmung und ungleichmässigen Geschwindigkeitsprofilen tritt Strömungsablösung an der Aussenwand auf. Ablösungserscheinungen an der Innenwand — die praktisch beobachtet werden — liefert diese Theorie nicht, womit die Grenzen ihrer Anwendbarkeit in Erscheinung treten.     

Two dimensional flow with constant shear past cylinders with various cross sections

Zusammenfassung Tsiens Methode, die Stromfunktion für Strömung mit konstanter Drehung an einem Zylinder vorbei festzustellen, wird erweitert, um Gebrauch von den natürlichen Koordinaten des Systems zu machen. Das modifizierte Verfahren wird gebraucht, um die Stromfunktionen für Strömung mit Drehung an elliptischen und parabolischen Zylindern und an einer ebenen Platte vorbei festzustellen. Die Hauptzüge der Strömungsfelder werden untersucht; man richtet besondere Aufmerksamkeit auf die Positionen der Staupunkte. Als ein äusserst wichtiger Parameter in dieser Studie erweist sich die dimensionslose ZahlN=U/l, woU undl respektiv eine typische Geschwindigkeit und Länge im Felde sind und die Drehung ist.     

On a singular perturbation problem in magnetohydrodynamics

Zusammenfassung Die Strömung einer zähen, inkompressiblen und elektrisch leitenden Flüssigkeit über einen rotationssymmetrischen Körper wird studiert mit Hilfe einer singulären Methode der Störungsrechnung. Eine asymptotische, im ganzen Strömungsfeld gültige Lösung wird gegeben für grosse Hartmann-ZahlenM.Die Resultate ergeben folgendes Strömungsbild: Zwei Totwasser-Bereiche von der LängeO (M) und der BreiteO (1) werden vor und nach dem Körper geformt. Sie sind begrenzt durch eine zylindrische Schubschicht, die vom grössten Durchmesser des Körpers aus parabolisch stromaufwärts und stromabwärts anwächst. In einer Entfernung der GrössenordnungO (M) geht diese Schubschicht in eine Wirbelstrasse über, die sich parabolisch ins Unendliche erstreckt. Die Einzelheiten des Strömungsbildes werden analytisch aufgezeigt. Die Wirbelstrasse wird mit derjenigen der klassischen Navier-Stokes-Theorie verglichen.     

Influence of body forces on turbulent transport near a surface

By examining the asymptotic approach of turbulent flow to a surface, using a simplified second-order closure model of turbulent transport, the law of the wall region is extended to include the influence of body forces in an equilibrium layer. The limit of large Reynolds number is considered so the flow is only a function of surface shear stress, surface roughness, and the nature of the body force. After development of the general formulation, application to two particular flows, a rotating flow adjacent to a stationary surface and the neutral planetary boundary layer, provide examples where the region of validity is an order of magnitude larger than the usual logarithmic wall layer.

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Zusammenfassung Das Wandgesetz für turbulente Strömung wird auf den Fall erweitert, dass auch Körperkräfte auftreten. Dazu wird das asymptotische Verhalten der turbulenten Strömung in Wandnähe untersucht. Zum Schliessen des Gleichungssystemes wird ein vereinfachtes Modell zweiter Ordnung für den turbulenten Transport verwendet. Der Grenzfall sehr grosser Reynoldszahlen wird betrachtet, sodass die Strömung nur von der Wandschubspannung, der Wandrauhigkeit und der Natur der Körperkräfte abhängt. Nach herleitung der allgemeinen Zusammenhänge werden zwei Anwendungen gegeben. Es wird gezeigt, dass für Drehströmung über einer festen Wand und für eine Atmosphärengrezschicht der Geltungsbereich des Wandgesetzes eineGrössenordnung grösser wird als beim bekannten, logarithmischen Wandgesetz.

     

The compressible gas-solid particle flow over a semi-infinite flat plate

Zusammenfassung Es wird gezeigt, dass die Grenzschicht-Approximation auf die Zwei-Phasen-Strömung über eine Halbebene anwendbar ist, wenn die Teilchendichte in der Grenzschicht von der Ordnung ist. Die Bedeutung eines neuen Parameters _m /x wird herausgestellt, wo _m die Länge ist, auf der die Teilchen ihre Geschwindigkeit ume ^–1 verringern, und der Abstand von der Vorderkante. Reihenentwicklungen in diesem Parameter werden benutzt, derart, dass eine Ähnlichkeitsgrösse für die Halbebene gefunden werden kann. Dies reduziert ein System partieller Differentialgleichungen auf ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen. Letztere werden numerisch und wenn möglich analytisch gelöst, so dass Schubspannungskoeffizienten und Wärmeübergangskoeffizienten für begrenzte Teile der Wand berechnet werden können. Hierbei wird die Gasdichte nicht als konstant angenommen.     

Phaseplane representation of the incompressible viscous flow between non-parallel plane walls

Zusammenfassung Die ebene Strömung einer zähen Flüssigkeit zwischen nicht-parallelen ebenen Wänden wird in einer «Phasenebene» beschrieben, in der die Schubspannung als Funktion der wandparallelen Geschwindigkeitskomponenteu dargestellt ist. Es wird gezeigt, dass sich die Bewegungsgleichungen auf eine gewöhnliche Differentialgleichung erster Ordnung für (u) zurückführen lassen. Die singulären Punkte dieser Gleichung entsprechen dem Aussenrand der Grenzschicht. Geschwindigkeitsprofile mit Grenzschichtcharakter sind nur möglich, wenn der singuläre Punkt ein Sattelpunkt oder ein stabiler Knoten ist.     

Asymmetrical slow viscous fluid motions caused by the translation or rotation of two spheres. Part II: Asymptotic forms of the solutions when the minimum clearance between the spheres approaches zero

Zusammenfassung In dieser Arbeit handelt es sich um eine Analyse der asymptotischen Formen für die Lösung von Problemen der langsamen zähen Strömung, die durch die Bewegung von zwei starren sphärischen Grenzen verursacht wird, wenn diese sich entweder entlang von Axen bewegen, die senkrecht zu der Verbindungslinie ihrer Zentren liegen, oder sich um diese drehen, Es wird der Grenzfall untersucht, bei dem der den Mindestspielraum zwischen den Sphären definierende Parameter sich Null nähert. Es wird gezeigt, dass für Kugeln, die ausserhalb einander liegen, die Kräfte und die Momente, die auf jede der beiden Kugeln einwirken, singulär werden, und zwar wie log für 0, für alle Werte der Radien. Wenn eine Kugel die andere einschliesst, findet man im allgemeinen dasselbe Verhalten, aber wenn eine stationäre Kugel eine drehende einschliesst, so verschwinden die Kräfte für »0, wenn der Radius der äusseren Kugel viermal so gross als der der inneren ist. Ein entsprechendes Verhalten zeigen auch die Momente, wenn sich die innere Kugel fortbewegt.     

The non-steady flow in a magnetohydrodynamic shock-wave generator of finite length

Zusammenfassung Durch geeignete Transformationen der diese Vorgänge beschreibenden Grundgleichungen in differentieller Form, Impulssatz, Kontinuitätsgleichung und Energiesatz, können sogenannte Verträglichkeitsbedingungen erhalten werden. Diese gelten entlang den Charakteristiken beziehungsweise den Lebenslinien. Letzteres System von gewöhnlichen, nichtlinearen Differentialgleichungen darf linearisiert werden, sofern die elektromagnetischen Wechselwirkungen mit der Strömung schwach sind. Elementare Integrationen führen dann zu relativ übersichtlichen und einfachen Resultaten. Insbesondere sind die unbekannten Funktionen an drei ausgezeichneten Stellen des -t-Feldes explizite zu bestimmen und die Funktionswerte im übrigen Strömungsfeld lassen sich leicht graphisch ermitteln. Die stromaufwärts reflektierten Druckschwankungen, verursacht durch die elektromagnetische Wechselwirkung im Generator, können nach einer von den Betriebsbedingungen abhängigen Anlaufstrecke zu einem Stoss auflaufen. Die exakte Bestimmung dieser Anlaufstrecke ist im Rahmen der Linearisierung auch möglich. Es ist erstaunlich, wie rasch, gemessen an der Zeit, die die Stosswelle zum Durchlaufen des Generators braucht, die Strömung im Generator stationär wird.     

Effects of high electrical conductivity in two-dimensional plasma flows

Zusammenfassung Der Einfluss endlicher elektrischer Leitfähigkeit auf die Kopplung zwischen Magnet-feld und Geschwindigkeitsvektor in einer ebenen, sonst dissipationsfreien Plasmaströmung wird theoretisch untersucht. Die Strömungsgleichungen werden mittels Reihenentwicklung nach negativen Potenzen der (hohen) magnetischen Reynoldszahl linearisiert. Als Lösung nullter Ordnung wird eine stationäre, zweidimensionale, dissipationsfreie Strömung durcy einen parallelen Kanal verwendet, die zur Klasse der «aligned-flow» problems,vB ₀, gehört. Das linearisierte Gleichungssystem lässt sich mit Hilfe geeigneter Transformationen durch eine TRICOMISCHE Differentialgleichung samt Rand-und Anfangsbedingungen für nur eine Strömungsvariable des gestörten Problems ersetzen, die der Diffusion des Magnet-felds aufgrund der endlichen Leitfähigkeit durch einen inhomogenen Term Rechnung trägt. Zur Lösung dieser Gleichung wird ein Integraltransformationsverfahren angegeben, das für eine grosse Klasse von über den Kanal variablen Magnetfeldern nullter Ordnung anwendbar ist. Ein solcher Fall wird explizit behandelt und es wird gezeigt, dass durch die Lösung alle anderen Strömungsvariablen 1. Ordnung eindeutig bestimmt sind. Für den Fall konstanten Magnetfeldes in nullter Ordnung lässt sich der Kontakt mit bestehender einschlägiger Literatur herstellen.     

Analytical solution for a steady flow of enclosed rotating disks

Low-Reynolds-number flow plays an important role in the centrifugal separation of fluid particles under microgravity conditions and also in micromechanics due to the miniaturization of fluid mechanical parts. In this situation, the governing equations may be simplified. Here an analytical solution is presented for the steady flow of an incompressible viscous fluid between two finite disks enclosed by a cylindrical container for small Reynolds number (Re 10). The general solution is valid for all choices of the aspect ratio () and different cases of disk to cylinder rotation rates (s). An expression for the torque acting on the disk is obtained. The tangential velocity distribution is calculated and presented graphically for different values of ands. Known results in the literature for a single rotating disk and similar problems follow as a particular case of the general solution presented.

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Zusammenfassung Zahlreiche hydrodynamische Vorgänge unter der Bedingung verminderter Schwerkraft aber auch Vorgänge in der Mikromechanik finden im Bereich kleiner Reynoldszahlen statt. In solchen Situationen können die Bewegungsgleichungen vereinfacht und eventuell analytische Lösungen gefunden werden. In dieser Arbeit wird die stationäre Strömung einer viskosen, inkompressiblen Flüssigkeit für kleine Reynolds- und unterschiedliche Aspektzahlen untersucht. Die Flüssigkeit ist zwischen zwei rotierenden Scheiben und einem zylindrischen Behälter eingeschlossen. Eine analytische Lösung für die Tangentialkomponente des Geschwindigkeitsvektors ist für den allgemeinen Fall, dass die Scheiben und der Behälter unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten besitzen können, dargestellt. Des weiteren wurde eine Beziehung für das Widerstandsmoment der rotierenden Scheibe angegeben. Der Verlauf der Tangentialgeschwindigkeiten für verschiedene Rotations- und Aspektverhältnisse wird graphisch dargestellt und diskutiert. Bereits angegebene Lösungen in der Literatur bezüglich dieser Geometrie können als Sonderfall der hier dargestellten Lösung entwickelt werden.

     

Boundary layer growth on a circular cylinder in a semi-infinite fluid

In this paper we study the problem of the boundary layer growth on a circular cylinder in a planar stagnation flow by the method of inner and outer expansions at small times and for finite but large Reynolds numbers. The emphasis is on the influence of the plane wall on the boundary layer detachment from the cylinder and the interaction between the cylinder and the flow. Certain correlations between some of the basic parameters are shown graphically.

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Zusammenfassung In dieser Arbeit wird das Anwachsen der Grenzschicht um einen kreisrunden Zylinder in einer ebenen Staupunktströmung behandelt. Verwendet wird die Methode der inneren und äußeren Entwicklung für große Reynoldssche Zahlen und kurze Zeiten. Betont wird der Einfluß einer ebenen Grenzplatte auf die Ablösung der Grenzschicht, und der gegenseitige Einfluß von Zylinder und Strömung. Gewisse Abhängigkeiten zwischen den Hauptparametern des Problems wurden auch graphisch dargestellt.

     

Linearized spin-up in vortex flows

Summary Transient motions of contained laminar vortex flows are investigated by solving a linearized (low Rossby number) spin-up problem for arbitrary primary flow circulation distribution. If the local Ekman number is of the order of one or larger, spin-up occurs solely by viscous diffusion (Rayleigh layers), but if the local Ekman number is small compared with one, spin-up occurs by the action of an Ekman layer induced secondary flow in a time much less than the viscous diffusion time. The unsteady motion is superimposed on a steady state secondary flow which compensates for diffusion of primary flow vorticity.

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Zusammenfassung Zeitabhängige Bewegungen einer laminaren Wirbelströmung in einem Behälter werden untersucht, indem ein (für kleine Rossby-Zahlen) linearisiertes Spin-up-Problem für willkürliche Zirkulationsverteilung der primären Strömung gelöst wird. Wenn die lokale Ekman-Zahl von der Grössenordnung Eins oder grösser wird, so erfolgt der Spin-up ausschliesslich durch viskose Diffusion (Rayleighsche Schichten), doch wenn die lokale Ekman-Zahl verglichen mit Eins klein ist, so erfolgt der Spin-up durch die Wirkung einer durch eine Ekman-Schicht induzierten sekundären Strömung in einer Zeit, die viel kürzer ist als die viskose Diffusionszeit. Die nichtstationäre Bewegung ist einer permanenten Sekundär-Strömung überlagert, welche die Diffusion der primären Strömungsrotation kompensiert.

     

Nonideal magnetogasdynamic flows in boundary layer approximation

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit werden schwach konvergierende und schwach divergierende MGD-Strömungen in der Grenzschichtnäherung untersucht. Das Verhalten dieser magnetischen Grenzschicht, charakterisiert durch alleinige Berücksichtigung der magnetischen Viskosität und Vernachlässigung der dynamischen Viskosität, wird durch die starke Kopplung zwischen Magnetfeld und Strömungsfeld bestimmt. Es werden im allgemeinen durch diese Kopplung die MGD-Grenzschichtgleichungen komplizierter, so dass deren analytische Lösung nur mit Hilfe von Ähnlichkeitstransformationen möglich ist. Nur im GrenzfallR _M (magnetische Reynoldszahl sehr gross) erhält man eine analytische Lösung. Mit Hilfe bestimmter Symmetriebedingungen werden die Lösungen auf symmetrische Strömungen eingeschränkt (freier Strahl oder Kanalströmungen). Schliesslich wird noch gezeigt, dass die endliche elektrische Leitfähigkeit die Ursache der freien Turbulenz gewisser Jet-Konfigurationen ist.

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This research has been sponsored in part by the United States Government under Contract No. F61052-67-C-0014.     

Interaction between a normal shock wave and a turbulent boundary layer at high transonic speeds. Part II: Wall shear stress

Summary Asymptotic methods are used to calculate the shear stress at the wall for the interaction between a normal shock wave and a turbulent boundary layer on a flat plate. A mixing length model is used for the eddy viscosity. The shock wave is taken to be strong enough that the sonic line is deep in the boundary layer and the upstream influence is thus very small. It is shown that unlike the result found for laminar flow an asymptotic criterion for separation is not found; however, conditions for incipient separation are computed numerically using the derived solution for the shear stress at the wall. Results are compared with available experimental measurements.

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Zusammenfassung Die Schubspannung entlang einer ebenen Platte wird mit asymptotischen Methoden gerechnet für den Fall, dass ein senkrechter Stoss auf die turbulente Grenzschicht einwirkt. Für die Rechnung wird ein Mischweg-Modell benützt. Der Stoss ist von solcher Stärke, dass die Schallinie tief in der Grenzschicht liegt, und so die Wirkung stromaufwärts sehr klein ist. Im Gegensatz zu der laminaren Strömung kann man in diesem Fall eine asymptotische Bedingung für Grenzschicht-Ablösung nicht finden. Aber die Bedingungen für den Beginn der Ablösung kann man von der Lösung für die Schubspannung an der Wand numerisch erhalten. Die Ergebnisse der Theorie werden mit den vorhandenen experimentellen Messresultaten verglichen.

     

The stability of dissipative Couette flow between rotating cylinders in the presence of an axial magnetic field

Zusammenfassung Die Stabilität der magnetohydrodynamischen Strömung zwischen zwei koaxialen Kreiszylindern, die sich in einem axialen Magnetfeld befinden wird untersucht für beliebige Werte des Rotationsparametersm= ₂/ ₁, wobei ₂ die Winkelgeschwindigkeit des äusseren Zylinders und ₁ die Winkelgeschwindigkeit des inneren Zylinders bedeutet. Es wird angenommen, dass die Spaltbreite klein gegenüber den Krümmungsradien der Zylinder ist, dass es sich um eine schwach elektrisch-leitende Flüssigkeit handelt und dass die Zylinder nicht-leitend sind. Werte der kritischen Taylor- und Wirbelzahl für neutrale Störungen vom Taylor-Görtler-Typ werden als Funktion der Hartmann-Zahl für alle |m|1 numerische bestimmt.     

Laminar boundary layer on rotating sphere and spheroids in non-Newtonian fluids

Zusammenfassung Die dreidimensionalen Grenzschichtgleichungen für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten werden in orthogonalen krummlinigen Koordinaten angegeben. In Kapitel 3 wird die von der Umdrehung einer Kugel in einer sonst ungestörten nicht-Newtonschen Flüssigkeit innerhalb der laminaren Grenzschicht erzeugte Strömung untersucht. Die Kapitel 4 und 5 behandeln in analoger Weise das verlängerte und verkürzte Sphäroid. In allen drei Fällen zeigen die Lösungen einen Zustrom an den Polen, der von einem Abfluss am Äquator ausgeglichen wird.     

Two-dimensional choked transonic flow

Summary Choked transonic flow about a thin two-dimensional airfoil in a wide wind tunnel is analyzed. Asymptotic expansions are constructed in terms of the transonic similarity variableK _T as K_T0 (and the tunnel height), in an inner region, near the body, and in an outer region, near the walls, and are matched. The inner expansion consists of sonic free flow plus a correction. The outer expansion accounts for the meeting of the sonic line and the limit characteristic at the wall. The magnitude of the correction to sonic free flight at the body as well as the dependence of the choking Mach number on the wind tunnel height are determined. A boundary value problem is formulated to determine the correction to the free flight sonic flow.

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Zusammenfassung Es wird die schallnahe Sperrströmung um einen zweidimensionalen Flügel in einem weiten Windkanal analysiert. Asymptotische Reihenentwicklungen werden in der transsonischen Ähnlich-KeitsvariablenK _T im inneren Bereich in der Nähe des Körpers und im äußeren Bereich nahe der Wandung konstruiert und verglichen. Die innere Reihenentwicklung besteht aus freier Schallströmung und einem Korrektionsglied. Die äußere Reihenentwicklung steht für das Zusammentreffen der Schallinie und der Grenzcharacteristik an der Wandung. Es werden die Größe des Korrektionsgliedes zur freien Schallströmung am Körper, als auch die Abhängigkeit der Machschen Zahl der freien Strömung von der Höhe des Windkanals bestimmt. Ein Randwertproblem wird formuliert um die Korrektur zur freien Schallströmung zu bestimmen.

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Research partly sponsored by AFOSR under Grant No. 82-0155 and by NSF under Grant DMS-8401738. The U.S. Government is authorized to reproduce and distribute reprints notwithstanding any copyright notation thereon.     

Extension of a perturbation-expansion method to strong-interaction boundary-layer problems,with application to vorticity interaction

Zusammenfassung Eine Methode der Störungs-Entwicklungen wird modifiziert, um die Behandlung einer Klasse von Grenzschichtproblemen mit starker Wechselwirkung zu ermöglichen. Es wird für eine vereinfachte Hyperschallströmung um einen stumpfen Körper die Wirkung der Rotation in der freien Strömung auf die Grenzschicht untersucht. Die Wechselwirkungstheorie von Hayes ergibt sich als erste Näherung in dieser Systematik. Die Theorie von Hayes wird auch mit anderen Resultaten von asymptotischen Entwicklungen in Beziehung gebracht, die in dieser Arbeit dargelegt werden.     

Thermal convection from a horizontal wire

Zusammenfassung Eine exakte Lösung für die natürliche Konvektion von einem langen horizontalen Draht wird gegeben, selbst für den Fall grosser Unterschiede in der Dichte. Wenn die Unterschiede in der Dichte klein sind, dann ist die Strömung eine ähnliche.