Unsteady elastico-viscous flow in a rotating pipe

Summary An analysis is presented of incompressible flow in a straight pipe of circular cross-section, rotating about an axis perpendicular to its length, under the influence of a periodic pressure gradient. It is shown that the secondary axial velocity along the pipe is comprised of a steady part and an unsteady part oscillating at twice the frequency of the applied pressure gradient. Of particular interest is the steady component of velocity for which it is shown that, at high frequencies, a reversal of drift in certain regions can be induced.

---

Zusammenfassung Es wird eine Analyse der inkompressiblen Strömung in einem geraden Rohr mit rundem Querschnitt, das um eine senkrecht zu seiner Länge verlaufende Achse rotiert, unter dem Einfluß eines periodischen Druckgradienten gegeben. Dabei wird gezeigt, daß die sekundäre axiale Anströmungsgeschwindigkeit in der Röhre aus einem stationären Anteil und aus einem nichtstationären Anteil besteht. Der letztere oszilliert mit einer Frequenz, die doppelt so groß ist wie die des wirkenden Druckgradienten. Von besonderem Interesse ist der stationäre Anteil der Angströmgeschwindigkeit, für den gezeigt wird, daß bei hohen Frequenzen in gewissen Bereichen eine Umkehr der Strömungsrichtung herbeigeführt werden kann.

---

---

With 3 figures     

Sekundärströmungen in viskoelastischen Flüssigkeiten bei stationärer und periodischer Bewegung

Zusammenfassung Verschiedene Typen von Sekundärströmungen in viskoelastischen Flüssigkeiten werden besprochen, und es werden vor allem experimentelle Realisierungen derselben mitgeteilt, wobei als Versuchsflüssigkeit wäßrige Lösungen von Polyacrylamid Verwendung finden.Aus der Klasse der stationären Bewegungen werden Strömungen in geradlinigen Rohren von beliebigem Querschnitt und in gekrümmten Rohren von kreisförmigem Querschnitt unter einem konstanten Druckgradienten, sowie Strömungen um drehsymmetrische Körper, die um ihre Symmetrieachse rotieren, behandelt. Für den letztgenannten Fall wird u. a. das Gegeneinanderwirken von Viskoelastizitäts- und Trägheitseinflüssen aufgezeigt.In der Klasse der periodischen Bewegungen wird zuerst kurz auf die Strömung in einem geradlinigen Rohr von beliebigem Querschnitt unter einem alternierenden Druckgradienten eingegangen. Anschließend wird die Strömung um drehsymmetrische Körper, welche um ihre Symmetrieachse Rotationsschwingungen ausführen, untersucht. Dabei wird nicht nur eine stationäre Sekundärströmung in der Meridianebene, sondern außerdem auch eine solche in azimutaler Richtung nachgewiesen und als Folge der Unsymmetrie der anregenden periodischen Bewegung einsichtig gemacht. Schließlich wird gezeigt, daß im Innern eines Zylinders mit freier Flüssigkeitsoberfläche, der um seine Achse Drehschwingungen vollführt, eine unter Umständen recht komplizierte stationäre Sekundärströmung auftritt, und es wird deren Abhängigkeit von der Frequenz und der Füllhöhe untersucht.Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen-Vereinigung und der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Bad Nauheim am 8. April 1965.Zum Schluß sei Herrn Prof. Dr.K. Weissenberg (The Royal Institution, London) herzlich für die Mitteilung seiner unveröffentlichten Ergebnisse gedankt, die zur Durchführung der zuletzt beschriebenen Versuche angeregt haben. Herrn Dipl.-Ing.K. Feldkamp (Technische Hochschule Braunschweig) sowie meinen Mitarbeitern HerrnH. Stollorz und HerrnH. Pickelin danke ich für ihre Hilfe bei Planung und Bau der Apparaturen und bei der Durchführung der Versuche, meinem Kollegen Herrn Dr.J. Pawlowski für manche anregende Diskussion sowie für die Messung der Fließkurven. Den Farbenfabriken Bayer AG., insbesondere Herrn Dr.W. Meskat gebührt schließlich mein Dank für die Förderung der vorliegenden Untersuchung.     

Flow of a power law fluid in an annulus with porous walls

Summary The steady flow of a power law fluid in annuli with porous walls is investigated. The solution for the axial velocity component is obtained as a power series in terms of the cross flowReynolds number, the first term of the series giving the solution for the case of the solid wall annulus. The cross flow is restricted to be such that the rate of injection of fluid at one wall of the annulus is equal to the rate of suction at the other wall and also we have considered only very small values of the cross flow velocity. The velocity profiles are drawn for different values ofn and for different gaps and the results are discussed in detail. The behaviour of the average flux, in different eases is also discussed.

---

Zusammenfassung Das stationäre Strömen einer dem Potenzgesetz gehorchenden Flüssigkeit in Ringkanälen mit porösen Wänden wird untersucht. Die Lösung für die axiale Geschwindigkeitskomponente ergibt sich als eine Potenzreihe in der Form derReynolds-Zahl für die Querströmung, wobei der erste Term der Reihe die Lösung für den Fall eines Ringkanals mit undurchlässiger Wand ergibt. Die Querströmung ist dadurch beschränkt, daß die Injektionsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der einen Wand des Kanals genau so groß ist wie die Absaugungsgeschwindigkeit an der anderen Wand. Ebenso werden nur sehr kleine Werte der Querströmungsgeschwindigkeit untersucht. Die Geschwindigkeitsprofile werden für verschiedene Werte vonn und für verschiedene Spaltweiten angegeben. Die Ergebnisse werden ausführlich diskutiert. Ebenso wird das Verhalten der mittleren Strömung für die verschiedenen Fälle diskutiert.

     

Turbulente Strömungen in divergenten Kanälen

Zusammenfassung Die theoretische Behandlung turbulenter Grenzschichtströmungen mit mittlerem und starkem Druckanstieg erfordert die Berücksichtigung des Einflusses des Druckgradienten bis zur Wand hin. Unter Zugrundelegung des Prandtlschen Schubspannungsansatzes wird als Verallgemeinerung des logarithmischen Geschwindigkeitsgesetzes ein Wandgesetz abgeleitet, das diesem Einfluß in Wandnähe Rechnung trägt. Die empirischen Koeffizienten des Wandgesetzes sind die beiden empirischen Koeffizienten des logarithmischen Gesetzes und vom Druckgradienten der Strömung unabhängig. Das Wandgesetz kann unter Umständen dazu dienen, die Wandschubspannung aus der experimentellen Geschwindigkeitsverteilung in Wandnähe zu bestimmen.Der theoretischen Untersuchung turbulenter Strömungen in ebenen Diffusoren werden die bekannten Messungen Nikuradses zugrunde gelegt. Es zeigt sich, daß bereits mittels des Wandgesetzes Druckgradient, Wandschubspannung und Geschwindigkeitsverteilung für mittleren Druckanstieg in brauchbarer Näherung berechnet werden können. Methodisch wird dabei so vorgegangen, daß die Geschwindigkeitsverteilung über der gesamten Breite der Kanalströmung durch das Wandgesetz approximiert wird. Wandschubspannung und Druckgradient werden dann mittels des Impulssatzes und einer äußeren Randbedingung bestimmt.Eine brauchbare Wiedergabe der experimentellen Werte auch für starken Druckanstieg erzielt man, wenn man als approximierende Funktion eine analytische Weiterentwicklung des Wandgesetzes ins Innere der Grenzschichtströmung hinein benutzt. Diese analytische Weiterentwicklung ist charakterisiert durch Berücksichtigung der Trägheitskräfte in erster Näherung und Berücksichtigung des Vorganges der turbulenten Mischung in zweiter Näherung, d. h. Einbeziehung des zweiten Gliedes der Taylorentwicklung der Mischungswegfunktion in die Rechnung. Der dabei auftretende dritte empirische Koeffizient erweist sich als vom Druckgradienten unabhängig und ist darüber hinaus als universelle Konstante anzusehen.     

Secondary flow induced by the rotation of a wavy rod

Summary The flow induced by the rotation of a wavy rod is studied using the method of domain perturbations. Of particular interest is the motion in axial planes which enters at second order. These secondary motions are sensitive to changes in the geometric and material parameters. For some values of the parameters the flow is entirely dominated by inertia; for other values, by normal stresses. For still other values of the parameters the competition between inertia and normal stresses causes the flow field to split into two distinct regions with normal stresses dominant near the rod and inertia dominant far away from the rod. The problem treated may be regarded as a model for the flow induced by agitators and stirring rods. The predictions of the analysis are in qualitative agreement with the experiments ofWhite, Chankraiphon andIde (6).

---

Zusammenfassung Die Strömung, die durch Rotation eines welligen Stabes verursacht wird, wird mit Hilfe der Domänen-Störungsmethode untersucht. Von besonderem Interesse ist dabei die Strömung in axialen Ebenen, die in zweiter Ordnung auftritt. Diese Sekundärströmungen reagieren empfindlich auf eine Änderung der geometrischen und der Materialparameter. Für bestimmte Werte dieser Parameter ist die Strömung ausschließlich durch Trägheitseffekte bestimmt, während für andere Werte Normalspannungen ausschlaggebend sind. Schließlich führt in einem bestimmten Parameterbereich der Wettbewerb zwischen Trägheit und Normalspannungen zu einer Aufspaltung des Strömungsfeldes in zwei verschiedene Gebiete, wobei die Normalspannungen in Stabnähe und die Trägheitseffekte in großer Entfernung vom Stab vorherrschen. Das hier behandelte Problem kann als Modell für Strömungsfelder betrachtet werden, die durch Rührwerke und Rührstäbe hervorgerufen werden. Die analytischen Voraussagen sind in qualitativer Übereinstimmung mit Experimenten vonWhite, Chankraiphon andIde (6).

---

---

With 4 figures and 1 table     

Numerical solutions of some unsteady laminar flows of viscoelastic fluids in concentric annuli with axially moving boundaries

Summary The numerical solution of the steady and nonsteady laminar, isothermal flow of the 6-constant Oldroyd fluid in concentric annuli with axially moving boundaries, is given. The steady flow problem involves the solution of a non-linear ordinary differential equation. In the non-steady flow problem, a modified finite difference method, given byTownsend, is used. It is shown that the steady flow solution obtained directly and the solution obtained from the start-up flow problem agree with each other, thus showing the validity of the finite difference method. In various flow situations, start-up flow, flow decay, decay of a disturbance in the pressure, the effect of superimposed oscillations in the pressure gradient and in the axial velocity of the boundaries on the mean state of flow, are illustrated.

---

Zusammenfassung Es werden numerische Lösungen der stationären und instationären laminaren, isothermen Strömung einer Oldroyd-Flüssigkeit mit sechs Konstanten in konzentrischen Ringspalten mit axial bewegten Wänden angegeben. Das stationäre Strömungsproblem erfordert die Lösung einer nichtlinearen gewöhnlichen Differentialgleichung. Beim instationären Problem wird in Anlehnung anTownsend eine modifizierte Finite-Differenzen-Methode angewandt. Es wird gezeigt, daß die direkt erhaltenen Lösungen des stationären Problems mit den numerisch erhaltenen Lösungen des instationären Problems übereinstimmen, wodurch die Anwendbarkeit dieser Methode nachgewiesen ist. Für verschiedene Strömungssituationen wie Anlauf- und Abklingströmung, Abklingen nach einer Druckströmung sowie der Einwirkung von überlagerten Schwingungen im Druckgradienten und in der Axialbewegung der Wände auf den mittleren Strömungszustand werden die resultierenden Ergebnisse veranschaulicht.

---

---

With 15 figures     

Das Druckströmungsfeld in zylindrischen Fließkanälen mit beliebigem Querschnitt)

Zusammenfassung Es wird eine Näherungsrechnung behandelt, die es in vielen Fällen ermöglicht, die zweidimensionale stationäre Strömung Newtonscher Flüssigkeiten in zylindrischen Fließkanälen mit beliebigem Querschnitt zu berechnen. Für die gesuchte Funktion der Geschwindigkeitsverteilung wird ein Lösungsansatz gewählt, der eine Anzahl unbestimmter Parameter enthält. Dieser Ansatz wird in die die Bewegung beschreibenden Differentialgleichungen eingesetzt. Die freien Parameter im Lösungsansatz werden nun so bestimmt, daß die Differentialgleichung und ggf. die vorliegenden Randbedingungen möglichst gut erfüllt werden. Dies geschieht mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate, die die Summe der Fehler bzw. Fehlerquadrate zum Minimum macht. Die Geschwindigkeitsverteilung liegt damit in Form einer Funktion der Ortskoordinaten vor, mit der ggf. in einfacher Weise weitergerechnet werden kann. Das Verfahren wird an einigen Beispielen erläutert.Vortrag auf dem Darmstädter Kunststoff-Kolloquium am 21. März 1969.Alle numerischen Rechnungen wurden an der elektronischen Datenverarbeitungsanlage TR4 des Rechenzentrums der Universitgt Stuttgart durchgefiihrt.Für die Erm6glichung und Diskussion dieser Arbeit danke ieh Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Sehenkel.Herrn Dr.-Ing.E. Steck sei an dieser Stelle für wertvolle Hinweise und Diskussionen gedankt.     

Einige Beispiele zur Stabilitätstheorie von Strömungen an konkaven und erwärmten Wänden

Zusammenfassung In dieser Arbeit wird die von H. Görtler aufgezeigte Analogie zwischen der Instabilität laminarer Strömungen an konkaven und erwärmten Wänden gegenüber longitudinalen Wirbeln untersucht. Im Rahmen einer linearisierten Störungstheorie und bei Beschränkung auf kleine Wandkrümmungen und kleine Temperaturdifferenzen erweisen sich die Stabilitätstheorie der Strömungen an konkaven Wänden und die Theorie der thermokonvektiven Stabilität als völlig analoge Fragestellungen. Konkave Krümmung bzw. Wanderwärmung wirken destabilisierend, konvexe Krümmung bzw. Wandkühlung dagegen stabilisierend; dabei kann die stabilisierende Wirkung des einen Effekts durch die destabilisierende Wirkung des anderen überboten werden.Die Analogieaussage wird unter geringen Einschränkungen in Strenge bewiesen. Ferner werden numerische Ergebnisse für den Fall der Strömung zwischen zwei koaxialen, rotierenden Zylindern, der Strömung in einem gekrümmten Kanal und der Grenzschichtströmung an einer konkaven Wand mitgeteilt. Zum Schluß wird die Strömung über eine gegen die Horizontale geneigte und erwärmte Platte untersucht. Die theoretischen Ergebnisse über die instabilste Wirbelanordnung werden mit den experimentellen Werten von T. Terada verglichen. Es ergibt sich für nicht zu dicke Flüssigkeitsschichten gute Übereinstimmung.Aus dem Institut für angewandte Mathematik der Universität Freiburg und dem Institut für angewandte Mathematik und Mechanik der DVL an der Universität Freiburg. Diese Untersuchung wurde vom Wirtschaftsministerium des Landes Baden/Württemberg gefördert.     

Die ebene Strömung um ein geknicktes Profil mit Spalt

Zusammenfassung Die Strömung um ein geknicktes Profil mit Spalt wird mit Hilfe der konformen Abbildung berechnet. Zuerst wird die Abbildungsfunktion der geknickten Platte mit Spalt so dargestellt, daß die numerische Auswertung für kleine Spalte besonders einfach wird. Durch Hinzunahme weiterer Abbildungen kann man schrittweise von der Strömung um Skelette übergehen zur Strömung um dünne Flosse und profiliertes Ruder und um Flosse und Ruder mit Wölbung und Dicke. Für alle diese Kombinationen wurden die Druckverteilungen berechnet. Es zeigt sich, daß die Rechnungen für Skelette schon recht gute Werte für die Gesamtkräfte liefern. Jeder Schritt in dem Annäherungsprozeß an Formen, wie sie der Wirklichkeit entsprechen, wurde wenn möglich einer entsprechenden Messung gegenübergestellt, um so den Einfluß der Form auf die Druckverteilung klar erkennen zu können. Zum Schluß ergibt sich, daß die Potentialtheorie alle wesentlichen Eigenschaften der Strömung um das geknickte Profil mit Spalt gut wiedergibt.     

Eine numerische Methode zur Lösung der Navier-Stokesschen Gleichungen für die zweidimensionale,inkompressible, stationäre Strömung längs einer dünnen Platte

Übersicht Es wird eine Differenzenmethode zur numerischen Integration der Navier-Stokesschen Gleichungen für die zweidimensionale, inkompressible, stationäre Strömung längs einer dünnen Platte beschrieben. Zur Verringerung des Rechenaufwandes wird angenommen, daß die Platte Symmetrieebene der Strömung ist. Die Ergebnisse einiger Testrechnungen für die Strömung längs einer endlich langen sowie einer unendlich langen Platte werden mit den Näherungslösungen von Blasius für die Plattengrenzschicht und von Goldstein für die Nachlaufströmung verglichen. Dabei zeigt sich deutlich die Stromaufwärtswirkung der Plattenvorderkante auf die ankommende Strömung und der Plattenhinterkante auf die Grenzschicht kurz vor dem Plattenende.

---

Summary A difference method will be described for the numerical integration of the Navier-Stokes equations for the two-dimensional, incompressible, steady flow along a flat thin plate. To reduce the computation time the plate is assumed to be the symmetry plane of the flow. The results of some computation tests for the flow along a plate of finite and infinite length, are compared with the approximate solutions of Blasius for the boundary-layer flow and of Goldstein for the wake behind the plate. The upstream effect of the leading edge on the incoming flow and of the trailing edge on the boundary layer shortly before the end of the plate becomes visible.

---

---

Auszug aus dem Bericht UW 62/70-ö der Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, Ottobrunn. Die Arbeit ist Teil des Forschungsauftrages T 01-830-I-205 des Bundesministeriums der Verteidigung.     

The pyramid gauze diffuser

Summary An analysis for the flow deflection characteristics of wire gauzes is shown to provide agreement with and a correlation for the existing experimental results. These characteristics are used to control the flow in a very short diffuser, with a high expansion ratio in which the flow diffuses across oblique gauzes in the form of a pyramid. This design is shown to give satisfactory results for flow uniformity at outlet, degree of pressure loss, and steadiness of flow.

---

Übersicht Die Eigenschaften der Strömungsablenkung durch Drahtgitter werden analysiert und es wird gezeigt, daß die Ergebnisse mit den bisher bekannt gewordenen Experimenten übereinstimmen. Die Ergebnisse werden auf die Strömung in einem sehr kurzen Diffuser mit hohem Expansions-Verhältnis angewandt, in dem die Strömung längs eines schrägen, pyramidenförmigen Drahtgitters expandiert. Es zeigt sich, daß diese Anordnung zufriedenstellende Ergebnisse bezüglich gleichförmiger Strömung am Ausgang, Druckabfall und Konstanz der Strömung ergibt.

     

Flow enhancement mechanisms of a pulsating flow of non-Newtonian liquids

Summary The pipe flow of non-Newtonian liquids under a fluctuating pressure gradient is considered. Adopting a generalized Maxwell model with full relaxation spectrum and considering only weak-sense stationary pressure-gradient noises, it is shown that there are two mechanisms involved in the flow enhancement: an inelastic and a dynamic mechanism. Both depend on the shear-thinning properties of the liquid in steady and oscillatory flows. For one-frequency pressuregradient noises, the flow enhancement increases with increasing frequency of fluctuation if the modulus of the complex viscosity is a decreasing function of the frequency. Since almost all polymeric liquids are shear-thinning in oscillatory shear flows, this investigation serves as a possible explanation for the data collected byBarnes, Townsend andWalters (1971). This, however, does not necessarily ensure that the constitutive model adopted in this study is free of defect in a general flow field.

---

Zusammenfassung Es wird die Rohrströmung einer nicht-newtonschen Flüssigkeit bei fluktuierendem Druckgefälle betrachtet. Für ein verallgemeinertes Maxwell-Modell mit beliebigem Relaxations-Spektrum wird bei Beschränkung auf kleine Schwankungen des Druckgradienten um einen stationären Mittelwert gezeigt, daß zwei Mechanismen zur Steigerung des Durchflusses beitragen, ein unelastischer und ein dynamischer Mechanismus. Beide hängen von den Scherentzähungs-Eigenschaften der Flüssigkeit bei stationären und oszillierenden Beanspruchungen ab. Für eine harmonisch-periodische Druckstörung nimmt die Durchflußsteigerung mit wachsender Schwankungsfrequenz zu, wenn der Betrag der komplexen Viskosität eine mit der Frequenz abnehmende Funktion darstellt. Da nahezu alle Polymerflüssigkeiten bei oszillierenden Scherströmungen Scherentzähung aufweisen, liefert diese Untersuchung eine mögliche Erklärung für die vonBarnes, Townsend undWalters (1971) zusammengestellten Ergebnisse. Dies bedeutet aber nicht notwendigerweise, daß das hier angenommene Modell auch für die Beschreibung allgemeinerer Strömungsfelder angemessen ist.

     

Kielwasserströmungen um eine Platte

Zusammenfassung Es wird gezeigt, wie man durch einfache Überlagerung der Strömung einer Quellstrecke, der gewöhnlichen widerstandsfreien Potentialströmung um eine Platte und einer Rückströmung Kielwasserströmungen um eine Platte erhalten kann, die verschiedenen, noch freien Bedingungen angepaßt werden können. Ein spezieller Fall liefert eine im Außengebiet des Kielwassers mit der Oseenströmung fast identische Strömung. Der Zusammenhang zwischen einem durch zwei parallele Wirbelhalbstrahlen begrenzten Kielwasser und einer Quellbelegung der Plattenspur wird abgeleitet. Durch Übertragung der Ergebnisse auf eine schräge Platte wird versucht, die beiden versuchsmäßig bekannten Strömungsarten rechnungsmäßig zu erfassen. Für Auftriebs- und Widerstandsbeiwert werden Gesetze angegeben, durch die auch die Bedingung erfüllt wird, daß die resultierende Luftkraft auf der Platte senkrecht steht.     

Strömungsverhältnisse in einem Diffusor mit vorgeschaltetem KrÜmmer

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wird die Strömung in einem Diffusor mit vorgeschaltetem KrÜmmer untersucht. In dem Diffusor von quadratischem Querschnitt und einem Gesamterweiterungswinkel von 10 tritt bei einer Kanalanordnung ohne vorgeschalteten KrÜmmer Ablösung ein. Die im Diffusor auftretenden Verluste sind dadurch beträchtlich. Das Ergebnis der Versuche zeigt, daß ein vorgeschalteter KrÜmmer die Druckverluste im Diffusor vermindern kann. Dadurch wird der Druckverlust in der Gesamtanordnung kleiner als die Summe der Einzel-verluste von KrÜmmer und Diffusor. Das ist auf den Einfluß der sich im KrÜmmer ausbildenden Sekundärströmung zurÜckzufÜhren. Eine Überschlägige theoretische Betrachtung und eine genauere experimentelle Untersuchung zeigt weiter, daß die Druckverluste im Diffusor mit wachsendem Umlenkungswinkel des KrÜmmers ein Minimum durchlaufen. Das hängt damit zusammen, daß die Sekundärströmung bei einem bestimmten Umlenkungswinkel am stärksten ist.GekÜrzte Fassung der vom Verfasser im Jahre 1954 im Max-Planck-Institut fÜr Strömungsforschung in Göttingen durchgefÜhrten Diplomarbeit (Ref.: Prof. Dr. Albert Betz).     

Unsteady flows of a third-order viscoelastic fluid

Summary Unsteady third-order viscoelastic flow is examined for the purpose of determining a method by which certain material constants in theRivlin-Ericksen theory can be measured. The concept of an intrinsic pressure hole error is used, and an expression for this error is derived for third-order flow. It is also shown that the velocity field for unsteady creeping motion of a third-order fluid is identical at any time to a corresponding steady third-order flow. The pressure field, however, depends upon the rate of change of the flow with time.

---

Zusammenfassung Es wird die instationäre Strömung dritter Ordnung einer viskoelastischen Flüssigkeit untersucht zu dem Zweck, eine Methode anzugeben, mit deren Hilfe gewisse Stoffkonstanten in der Theorie vonRivlin undEricksen gemessen werden können. Dazu wird das Konzept des intrinsic pressure hole error verwendet, und es wird für diesen Fehler im Rahmen der Theorie dritter Ordnung ein Ausdruck abgeleitet. Weiter wird gezeigt, daß das Geschwindigkeitsfeld für die instationäre schleichende Strömung einer Flüssigkeit dritter Ordnung zu jeder Zeit mit der zugeordneten stationären Strömung dritter Ordnung identisch ist. Im Gegensatz dazu hängt das Druckfeld jedoch von der zeitlichen Änderung der Strömungsgeschwindigkeit ab.

     

On elastic effects in unsteady pipe flows

Summary Theoretical consideration is given to two unsteady pipe flows. In the first, a combined steady and oscillatory shear flow is generated by a pulsatile pressure gradient in a stationary pipe. In the second, the pressure gradient is constant, but the pipe wall executes axial vibrations.The theoretical analysis is carried out for an upper convected Maxwell model characterized by a viscosity function and one relaxation time. A conventional perturbation method of solution is concluded to be inadequate to describe some of the interesting experimental observations and most of the work employs a finite-difference formulation based onTownsend's work. In the vibrating-pipe analysis, it is concluded that the flow must be considered to be dominated by the axial movement of the pipe if the interesting experiments ofManero andMena are to be properly interpreted.We have still not reached the stage where existing experimental results on pulsatile flow and the vibratingpipe situation can bequantitatively predicted.

---

Zusammenfassung Es werden zwei Typen instationärer Rohrströmungen theoretisch betrachtet. Bei dem ersten wird eine kombinierte stationäre und oszillierende Scherströmung dadurch erzeugt, daß bei ruhendem Rohr der Strömung ein pulsierender Druckgradient aufgeprägt wird. Bei dem zweiten ist der Druckgradient konstant, dagegen führt das Rohr axiale Schwingungen aus.Die theoretische Analyse wird für das Modell einer verallgemeinerten Maxwell-Oldroyd-FlüssigkeitB (d. h. mit kontravarianter konvektiver Zeitableitung) durchgeführt, welches durch eine Viskositätsfunktion, aber nur eine einzige Relaxationszeit gekennzeichnet ist. Es wird gezeigt, daß die üblichen Störungsmethoden nicht geeignet sind, einige der interessantesten experimentellen Beobachtungen zu beschreiben. Daher wird in den meisten Fällen eine auf den Arbeiten vonTownsend basierenden Finite-Differenzen-Methode angewendet. Bei der Analyse des vibrierenden Rohrs wird geschlossen, daß die Strömung maßgeblich durch die Axialbewegung des Rohrs bestimmt sein muß, wenn die interessanten Experimente vonManero undMena angemessen interpretiert werden sollen.Zur Zeit ist noch nicht eine solche Stufe des theoretischen Verständnisses erreicht, von wo aus einequantitative Voraussage der bekannten experimentellen Ergebnisse bei pulsierenden Strömungen bzw. einem vibrierenden Rohr geleistet werden könnte.

---

---

With 14 figures     

Stabilitätsverhalten und verzweigung stationärer Lösungen der navier-stokesschen gleichungen

Zusammenfassung Am Beispiel der Strömung in einem horizontalen Rohr mit von unten erwärmter Wand wird gezeigt, wie man mit Hilfe der Theorie des topologischen Abbildungsgrades von Leray und Schauder im überkritischen Bereich der Rayleigh-Zahl auf die Existenz einer von der Grundströmung verschiedenen, stationären Strömung (thermische Konvektionsströmung) schließen kann. Unterhalb der kritischen Rayleigh-Zahl existiert genau eine stationäre Lösung der Navier-Stokesschen Bewegungsgleichungen, nämlich die Grundströmung. Beim Überschreiten der kritischen Rayleigh-Zahl verzweigt sich diese stationäre Lösung, wobei die Grundströmung gleichzeitig instabil wird.Die Methode des Abbildungsgrades ist auf ähnliche Strömungsbeispiele mit zellularer Instabilität anwendbar wie z.B. die Strömung zwischen rotierenden Zylindern (Taylor-Wirbel) oder die von unten erwärmte Flüssigkeitsschicht (Benard-Zellen).Diese Arbeit entstand aus dem Institut für Angewandte Mathematik und Mechanik der DVL an der Universität Freiburg i. Br. Über diese Untersuchung wurde bereits auf der GAMM-Tagung in Bonn (24.–28. 4. 1962) berichtet (s. [19]). Vorgelegt von H. Görtler     

Magnetic effects on the flow with a great magnetic reynolds number by the presence free convection and mass transfer

An analysis of the effects of a magnetic field on the flow past an infinite plate by the presence free-convection and mass transfer is considered when the magnetic Reynolds number of the flow is not small. The influence of magnetic parameterM on the velocity and the skin-friction is discussed with the help of graphs, when the plate is being cooled by the free convection currents.

---

Magnetische Einflüsse auf eine Strömung mit großen magnetischen Reynolds-Zahlen unter Anwesenheit freier Konvektion und Stoffübertragung

Zusammenfassung Es werden die Einflüsse eines magnetischen Feldes auf die Strömung an einer unendlichen Platte mit freier Konvektion und Stofftransport analysiert, wobei die magnetische Reynolds-Zahl der Strömung nicht klein ist. Diskutiert wird der Einfluß des magnetischen ParametersM auf die Geschwindigkeit und die Oberflächenreibung mit Hilfe graphischer Methoden, wobei die Platte durch die freie Konvektion gekühlt wird.

     

Die Beschreibung der turbulenten Strömung durch die zeitlichen Mittelwerte

Zusammenfassung Die Navier-Stokes-Gleichungen werden durch einen Ansatz für den Spannungstensor erweitert, so daß die resultierenden Gleichungen die zeitlichen Mittelwerte einer turbulenten Strömung beschreiben. Die Koeffizienten des Ansatzes hängen von der Reynoldszahl und den Randbedingungen des Strömungsproblems ab und müssen aus Messungen bestimmt werden. Als Beispiel wird die turbulente Strömung im Rohr mit kreisförmigem Querschnitt behandelt.

---

Summary The Navier-Stokes-equations are extended by an assumption for the stress tensor, so that the resulting equations describe the time mean values of turbulent flow. The coefficients, which appear in the stress tensor, depend on the Reynolds number and on the boundary conditions of the problem and must be determined by measurements. The turbulent flow in a tube with circular cross section is treated as an example.

     

Analytische Berechnung einfacher scherströmungen aufgrund eines fließgesetzes vom carreauschen typ

Zusammenfassung Es wird eine modifizierte Form des Potenzgesetzes zur Beschreibung des Fließverhaltens strukturviskoser Fluide, der sog. Carreau-Ansatz näher untersucht. Die Angemessenheit dieser Modifikation wird durch den Vergleich von Berechnungen einfacher Strömungsformen, nämlich der Druckströmung durch eine Schlitzdüse sowie der überlagerten Druck- und Schleppströmung zwischen zwei parallelen Platten erwiesen. Dabei ergeben sich erhebliche Unterschiede, je nachdem die Fließkurve des betrachteten Stoffes durch ein einfaches Potenzgesetz oder durch einen dem Fließverhalten besser anzupassenden Carreau-Ansatz approximiert wird.Anschließend werden analytische, mit dem Taschenrechner auszuwertende Berechnungsformeln aufgrund des Carreau-Ansatzes für die genannten Strömungsformen und für die Druckströmung durch eine Bohrung hergeleitet. Ferner wird eine in sehr guter Näherung gültige Vereinfachung der exakten Durchsatzcharakteristik (scheinbaren Fließkurve) für Schlitzdüse und zylindrische Bohrung angegeben.Die gewonnenen Ergebnisse lassen sich z.B. auf dem Gebiet der Auslegung von Kunststoffverarbeitungsmaschinen und Ausformwerkzeugen sowie bei der Auswertung kapillarviskometrischer Messungen anwenden.

---

A modified power law, the so-called Carreau formula, for the viscosity of pseudoplastic fluids in simple shear flow is considered. The appropriateness of introducing this modification is demonstrated by comparative calculations of some simple types of flow, namely the pressure flow through a slit die and the superimposed pressure and drag flow between two parallel plates. These calculations yield substantially different results according to whether the flow curve of the fluid is approximated by the usual power law or by the Carreau formula, which can be more closely matched to the rheological properties.Subsequently, analytic expressions for the above-mentioned flow types are derived on the basis of the Carreau formula enabling the flow to be computed using a pocket calculator. Moreover, a simplified but still very accurate formula for the throughput characteristic (or equivalently the apparent flow curve) of a slit die and a circular capillary is presented.The results obtained here are applicable to the design of polymer processing machines and dies as well as to the interpretation of viscosity measurements made with capillaries.

Auszugsweise vorgetragen auf dem 8. Stuttgarter Kunststoffkolloquium am 10. März 1983