The stability of time-dependent laminar flow: Flow with curved streamlines

Zusammenfassung Das Problem der Stabilität laminarer, inkompressibler und stationärer Strömungen mit gekrümmten Stromlinien wird hier ausführlich untersucht. Im Gegensatz zur klassischen Behandlung der Stabilität, wo die untersuchten Strömungen stationär sind und wo Stabilität genau definert ist, bedarf dieses System zur Lösung einer neuen Basis. Interpretation und Formulierung dieser neuen Basis werden vorgenommen, und drei Definitionen werden als die wichtigsten herausgestellt. Bei Anwendung dieser Kennzeichen auf neutrale Stabilität und durch Erweiterung der vonOrr für parallele Strömungen entwickelten Analyse, wird für die kritische Reynolds-Zahl ein Mindestwert als eine Funktion der Zeit errechnet. Für den Fall einer Strömung zwischen konzentrischen Kreiszylindern mit einer stationären und einer Schwingungskomponente in der Zeit werden quantitative Ergebnisse geboten. Das stationäre Problem wird in diesem Zusammenhang als ein spezieller Grenzfall behandelt.     

The stability of time-dependent laminar flow: Parallel flows

Zusammenfassung In dieser Arbeit wird das allgemeine Problem der Stabilität inkompressibler, instationärer, paralleler und laminarer Strömungen zwischen zwei unendlichen Ebenen untersucht. Dabei werden sowohl die klassische linearisierte Theorie für Störungen mit kleiner Amplitude als auch eine Variationsmethode für Störungen endlicher Grösse angewandt. Die grundlegenden Lehrsätze der linearen Theorie werden, soweit dies für das allgemeine Problem möglich ist, erweitert und ihre Konsequenzen aufgezeigt. Unter Anwendung der Variationsmethode werden für mehrere besondere instationäre Strömungen quantitative Ergebnisse gezeigt, aber die hier entwickelten Gleichungen können ebenso auf jedwede parallele Strömung angewendet werden. Das stationäre Problem ist als ein besonderer Grenzfall behandelt.     

Approximate solution of boundary layer problems with injection or suction

Zusammenfassung Der grundlegende linearisierte Ansatz zur Näherungslösung von Grenzschichtproblemen wird auf neue Anwendungen erweitert, um die Behandlung von Problemen mit Massenaustausch durch die Oberfläche zu ermöglichen und die Beschränkung auf die Prandtl-Zahl 1 zu mildern. Das klassische Problem der konstanten, d. h. nicht ähnlichen Geschwindigkeitsverteilung an der Oberfläche wird behandelt, und die Ergebnisse werden mit der exakten numerischen Lösung verglichen. Es ergibt sich eine ausgezeichnete Übereinstimmung. Sodann wird eine Lösung des schwierigen und praktisch wichtigen Problems einer Stufenfunktion für die Oberflächengeschwindigkeit gegeben. Die freie Konvektion über einer vertikalen Platte mit konstanter Temperatur und Oberflächengeschwindigkeit wird erstmalig gelöst. Schliesslich wird das der Schlitzeinspritzung entsprechende Anfangswertproblem unter Milderung der bisherigen AnnahmeP _r =1 behandelt.

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This work was supported by the National Science Foundation, Grant No. GK-310,     

On thermomechanics of elastic stability

Zusammenfassung Es wird die Thermomechanik des Stabilitätsphenomens elastischer Körper unter äusseren Belastungen betrachtet, welche auf beliebige Weise von der Deformation und der Bewegung benachbarter Materialbereiche, an denen sie angreifen, abhängen können; diese Kräfte werden bewegungsabhängige Belastungen genannt. Eine allgemeine Ungleichung, welche für alle Materialien unter bewegungsabhängigen Belastungen gilt, wird mittels der Erhaltungssätze und der Entropiebilanz hergeleitet; diese Ungleichung wird auf elastische Körper, welche jedoch noch Energie auf allgemeine Weise dissipieren können, spezialisiert. Mittels einer Energienorm werden hinreichende Bedingungen für die örtliche Stabilität endlich deformierter Gleichgewichtskonfigurationen solcher Körper und gewisse notwendige Bedingungen hergeleitet. Schliesslich wird das allgemeine (nicht notwendig lokale) Problem der Stabilität eines Gleichgewichtszustandes kurz untersucht und gewisse in diesem Zusammenhang notwendige und hinreichende Bedingungen werden diskutiert.

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Dedicated to Professor Ziegler on his sixtieth birthday

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This research was supported by the National Science Foundation under Grant GK-10161.     

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.     

Discontinuous solutions in supersonic reacting gas flows

Zusammenfassung Es werden für Überschallströmungen reagierender Gase verallgemeinerte Lösungen mit schwachen und starken Unstetigkeiten (Sprünge in den Ableitungen bzw. in den Variablen selbst) betrachtet. Es wird gezeigt, dass die Kurven, an denen solche Unstetigkeiten auftreten, die Charakteristiken des Gleichungssystems für schwache Unstetigkeiten sind. Das Zusammenwirken von Unstetigkeiten verschiedener Veränderlichen wird diskutiert.

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Supported by NASA under grant NsG633 and Canadian National Research Council and Defence Research Board.

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Visiting Research Associate. (On leave from the National Aeronautical Laboratory, Bangalore, India.) Work done while visiting at the Institute for Aerospace Studies, University of Toronto, Toronto, Canada during 1963–65.     

Sufficient optimality conditions for some structural design problems

Summary The derivation of sufficient conditions for optimal structural design is considered in this paper. It is shown how such conditions can be obtained for certain classes of problems. Examples involving design constraints on deflection and stability are presented to demonstrate the procedure.

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Zusammenfassung Die Arbeit befaßt sich mit der Herleitung hinreichender Bedingungen für optimale Dimensionierung. Es wird gezeigt, wie für gewisse Problemklassen solche Bedingungen gewonnen werden können. Das Verfahren wird an Beispielen erläutert, welche Bedingungen bezüglich Deformation und Stabilität unterliegen.

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This research was supported by the U.S. Army Research Office, Durham.     

A time-dependent method for the solution of one-dimensional radiating flow

Zusammenfassung In dieser Arbeit lösen wir die eindimensionale Gasströmungsgleichung einschliesslich des Effektes der Strahlungsübergänge für zähe und für reibungsfreie Fälle. Der Charakter der Hauptgleichung wird bestimmt und man findet, dass in Gegenwart von Strahlungsprozessen der zähe Fall zu parabolischen Charakteristiken führt. Die Stabilität des numerischen Schemas wird untersucht und ein Grenzkriterium für den Fall starker Strahlung wird bestimmt. Im Einklang mit diesem Kriterium wird gefunden, dass im Falle starker Stösse und starker Strahlung die Rechnungen sehr langwierig werden.

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This research was conducted under the soponsorship of the Office of Naval Research, under Contract No. Nonr 839(34), Project No. NR 061-135.     

Analysis of turbulent boundary layers with zero pressure gradient

Zusammenfassung Das hier entwickelte, formale, mathematische System beschreibt turbulente Grenzschichten an glatten und rauhen Platten und vermittelt eine zusammenhängende und folgerichtige Behandlung von solch groben Schichteigenschaften wie Durchschnittsgeschwindigkeitsprofil, Schubspannung, Wirbelviskosität und Grenzschichtdicke. Die erhaltenen Lösungen zeigen gute Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Die gegebene Formulierung kann in gewisser Hinsicht als eine neuartige Mischungsweghypothese betrachtet werden.Die Arbeit beschränkt sich auf Grenzschichten mit Nulldruckgradienten. Eine Verallgemeinerung auf von Null abweichende Druckgradienten ist einer späteren Mitteilung vorbehalten, in welcher gezeigt werden soll, dass die benutzte Methode zu mit dem Experiment übereinstimmenden Ergebnisse führt und keiner weiteren Hilfshypothesen bedarf.Die physikalische Bedeutung der Arbeit kann darin gesehen werden, dass ein allerdings nicht ganz genaues Mischungswegmodell dennoch auftretende Mischungsvorgänge näherungsweise beschreiben kann, was somit die Aufstellung einer Mischungsweghypothese ermöglicht, die mit genügender Genauigkeit ein grobes Bild verschiedener Aspekte der beobachteten Vorgänge gibt. Es ist somit möglich, zu einer handlichen und folgerichtigen mathematischen Formulierung zu gelangen, mit deren Hilfe allgemeine Eigenschaften von turbulenten Grenzschichten an festen Oberflächen untersucht werden können.

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Address for 1958: California Institute of Technology.

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Supported in part by a grant from the Rockefeller Foundation RF 56160.     

Laminar-turbulent transition

Zusammenfassung Die Bewegungsgleichungen eines Teilchens, auf das kleine statistische Störkräfte wirken, werden für laminare Strömungen gelöst. Das Teilchen wird mit Flüssigkeitsballen identifiziert, wie sie in der turbulenten Strömung vollkommen ausgebildet sind, aber im laminaren Bereich in subkritischer Grösse schon vorkommen können. Als Stabilitätskriterium wird eine Bedingung hergeleitet, für die das mittlere Verschiebungsquadrat schnell wächst. Es wird gezeigt, wie aus den Gleichungen die wohlbekannten Stabilitätsgesetze für Geschwindigkeitsprofile mit Wendepunkten folgen. Die kritische Grösse eines Geschwindigkeitsballens in der Nähe des Umschlagpunktes ist wahrscheinlich identisch mit den kleinsten Turbulenzelementen. Es wird eine Formel hergeleitet für die Brownsche Bewegung in Strömungen.     

A special transformation of the differential equations describing blown arcs

Zusammenfassung Zur Untersuchung der Wechselwirkung von Lichtbögen mit Gasströmungen wird eine Transformation der Differentialgleichungen vorgeschlagen. Und zwar wird anstelle einer Ortsvariablen die Temperatur als unabhängige Variable gewählt.Die Nichtlinearitäten der Ausgangsgleichungen, die durch die Temperaturabhängigkeit der Transportfunktionen bedingt sind, werden dadurch behoben. Ferner ergeben sich Vorteile bei der Untersuchung des Stabilitätsverhaltens von Lichtbögen und vor allem bei numerischen Lösungen der Gleichungen.Für letzteres werden zwei typische Beispiele angegeben. Für einen axial sehr stark angeblasenen Bogen in einer Lavaldüse wird ein Lösungsbeispiel behandelt. Ferner wird das bekannte Problem des abklingenden zylindersymmetrischen Bogens diskutiert.     

A general theory for the equilibrium and stability of discrete conservative systems

Zusammenfassung Eine vom Verfasser kürzlich entwickelte allgemeine Theorie der elastischen Stabilität wird in einheitlicher und moderner Form dargestellt. Die Theorie behandelt Gleichgewicht und Stabilität diskreter kontinuierlicher Systeme und ist somit ein Beitrag zur klassischen Mechanik, mit Anwendungen in der numerischen Untersuchung von in der Praxis auftretenden Körpern und Tragwerken.Normales und kritisches Verhalten eines allgemeinen Systems werden durch einen natürlichen Störungsansatz klassifiziert und berechnet; beides mit oder ohne Diagonalisierungsschema. Das anfängliche überkritische Verhalten eines Systems bei einem diskreten kritischen Punkt wird ausführlich untersucht; besondere Aufmerksamkeit wird der wichtigen Frage der Imperfektionenanfälligkeit gewidmet.Einige neue Theoreme werden aufgestellt.     

The diffraction of a plane compressional wave by a spherical cavity in an elastic medium

Zusammenfassung Ein sphärischer Hohlraum in einem unendlichen homogenen und isotropen elastischen Medium wird von einer ebenen Druckstosswelle überstrichen, deren Front sich gleichförmig fortbewegt. Das durch Ablenkung am Hohlraum erzeugte Verschiebungs- und spannungsfeld wird mittels einer Integraltransformation bestimmt. Insbesondere wird die starre Teilbewegung der Begrenzung des Hohlraums ermittelt. Das Problem wird für eine einstufige Druckwelle gelöst. Die Ergebnisse lassen sich als Einflussgrössen betrachten, mit denen sich die Duhamel-Integrale für allgemeinere Druckwellen berechnen lassen.

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This work was performed under Contract No. AF 29(601)-5132 (Project No. 1080, Task No. 108007) for Air Force Special Weapons Center, Kirtland Air Force Base, New Mexico, USA.     

Thermoelastic problem for an isotropic sphere with temperature dependent properties

Zusammenfassung Es werden Wärmespannungen infolge polarsymmetrischer stationärer Temperaturfelder in einer isotropen Kugel mit temperaturabhängigen Stoffwerten untersucht. Das Material wird als inkompressibel vorausgesetzt, was einem oberen Grenzwert der viskoelastischen Spannungen in einem Maxwellschen Körper entspricht. Diese Annahme erlaubt, die Lösung in einer geschlossenen Form und für jede Temperaturverteilung und Temperaturabhängigkeit der Materialkonstanten und des Wärmeausdehnungskoeffizienten aufzustellen. Es werden allgemeine Formeln für die Spannungs- und Verschiebungsfelder in einer vollen Kugel und in einer kugelförmigen Schale gegeben und die Einwirkung der variablen Wärmeleitzahl auf das Temperaturfeld untersucht. Ein numerisches Beispiel für lineare Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls und des Wärmeausdehnungskoeffizienten wird berechnet.

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This research was sponsored by the United States Army under Contract No. DA-11-022-ORD-2059     

Steady-state thermal stresses in an elastic cone

Zusammenfassung Diese Arbeit befasst sich mit der Bestimmung der stationären Wärmespannungen, die in einem elastischen Kreiskegel durch eine unstetige Verteilung der Oberflächentemperatur hervorgerufen werden. Die Temperatur der Mantelfläche wird oberhalb und unterhalb einer festen Entfernung von der Kegelspitze konstant angenommen. Das zugehörige Wärmeleitungsproblem wurde in einer früheren Veröffentlichung unabhängig gelöst. In der vorliegenden Arbeit wird eine strenge Lösung für die gesuchten Wärmespannungen mit Hilfe der Mellin-Transformation hergeleitet. Das hier benutzte Verfahren ist auch anwendbar auf das gewöhnliche Randwertproblem für einen elastischen Kegel, der durch eine entsprechende unstetige Oberflächenbelastung beansprucht wird.

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The results communicated in this paper were obtained in the course of an investigation conducted under Contracts Nonr 562(20) and Nonr 562(25) of Brown University with the Office of Naval Research in Washington, D. C.     

Servo-stabilization of low-frequency oscillations in liquid propellant rocket motors

Zusammenfassung Die Theorie der kleinen Frequenz-Instabilität von Raketenmotoren mit flüssigen Treibmitteln wird überarbeitet, wobei im besonderen die Methode der Satche-Diagramme erörtert wird, welche durchH. S. Tsien für Stabilitätsrechnungen linearer Systeme mit zeitlicher Verzögerung eingeführt worden sind. Das Prinzip der Stabilisierung durch Benutzung einer Gegenkopplungsschleife wird besprochen, und es wird gezeigt, dass schon eine sehr einfache Lösung des Gegenkopplungskreises die Stabilität von flüssigen Einzel- und Doppeltreibmitteln in Raketenmotoren versichern kann, unabhängig von der Grösse der Zeitverzögerung. Auf Grund des beschriebenen speziellen analytischen Beispiels wird gefolgert, dass solche Stabilisierungsmassnahmen für eine viel grössere Klasse von Instabilitäten in Raketenmotoren als die betrachtete empirisch verwirklicht werden können.     

The response of a thin elastic rod to combined thermal and mechanical impulse

Zusammenfassung Es wird das Charakteristikenverfahren benützt, um zwei Probleme zu untersuchen, welche mit dem kombinierten Einfluss eines thermischen und mechanischen Stosses auf die Fortpflanzung einer elastischen Längswellenfront im eindimensionalen Körper zusammenhängen. Im ersten Fall werden die beiden Stösse gleichzeitig am freien Ende appliziert, und es werden die Änderungen in der Fortpflanzungsgeschwindigkeit studiert, welche auf das durch Diffusion erzeugte ungleichförmige Temperaturfeld zurückzuführen sind. Es wird gezeigt, dass die Vorläuferfront durch den modulierenden Effekt des Diffusionsprozesses in ihrer Intensität herabgesetzt wird. Das zweite Problem betrifft einen mechanischen Stoss, der einige Zeit nach Entstehen eines ungleichförmigen Temperaturfeldes infolge Wärmeflusses appliziert wird. Es werden Ausdrücke hergeleitet für die Modulation der Verzerrungen und Geschwindigkeiten an der Wellenfront, während die elastische Welle in ein festeres Medium hineinläuft.

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Presented at the Canadian Congress of Applied Mechanics, Laval University, May 22–26, 1967.     

Vortex breakdown as a fundamental element of vortex dynamics

Summary Keller et al. (1985) have shown that, in analogy to the theory of gravity currents, there exist two types of force-free transitions (i.e. vortex breakdown phenomena) between axisymmetric vortex-flow states in tubes.This paper presents an extension of our earlier analysis, which is based on a variational principle and does not account for viscous effects and shear layer instabilities, to axisymmetric vortex flows in tubes with varying cross-sectional area.A broad investigation into the properties of steady axisymmetric vortex flows is given, in so far as they can be represented by perfect-fluid theory and simple extensions of it. It is argued that the basic physics of such flows, including vortex breakdown phenomena, can be explained with the help of the relatively simple theoretical concepts proposed. Numerical results are presented which show complete flow fields of loss-free transition in diffusers for various types of vortex flows. LDA-measurements and flow visualization experiments proove the existence of two types of transitions, as proposed by the analysis, and show the significance of critical cross-sections in the flow.

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Zusammenfassung Keller et al. (1985) haben gezeigt, daß in Analogie zur Theorie der Schwereströmungen zwei Arten von impulserhaltenden Übergängen (i.e. Vortex-Breakdown-Phänornene) zwischen axisymmetrischen Wirbelströmungszuständen existieren.Diese frühere Theorie, die auf einem einfachen Variationsprinzip basiert und Reibungseffekte sowie Scherschichtsinstabilitäten nicht berücksichtigt, wird in dieser Arbeit auf axisymmetrische Wirbelströmungen in Rohren mit veränderlicher Querschnittsfläche erweitert. Die Eigenschaften axisymmetrischer Wirbelströmungen werden in ihrer vollen Breite untersucht, soweit sie der Theorie der idealen Strömungen und ihren einfachsten Verallgemeinerungen zugänglich sind. Wie es scheint, kann mit hinreichender Rechtfertigung festgestellt werden, daß die grundlegende Physik solcher Strömungen (einschließlich der Vortex-Breakdown-Phänome) mit den relativ einfachen theoretischen Konzepten erklärt werden kann, die in dieser Arbeit diskutiert werden. Es werden numerische Ergebnisse gezeigt, welche die vollständigen Strömungsfelder verlustfreier Übergänge in Diffusoren für verschiedenartige Wirbelströmungen beinhalten. LDA-Messungen und Strömungsbeobachtungen beweisen die Existenz der von der Theorie vorausgesagten übergangsarten und zeigen die zentrale Bedeutung der kritischen Strömungsquerschnitte.

     

On the stability of bifurcation branches in thermal ignition

Summary A method is given to determine the stability of stationary solutions of the thermal ignition equation for the case ofn-dimensional spherical symmetry, together with the number of unstable modes. For sufficiently high temperature and activation temperature this number is arbitrarily large. Some numerical results on the solutions and their stability are reported.

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Zusammenfassung Ein Verfahren zur Bestimmung der Stabilität stationärer Lösungen der Gleichung der thermischen Selbstzündung imn-dimensionalen kugelsymmetrischen Fall sowie der Anzahl instabiler Eigenfunktionen wird angegeben. Für genügend hohe Temperatur und Aktivierungstemperatur ist diese Anzahl beliebig groß. Einige numerische Ergebnisse über die Lösungen und ihre Stabilität werden berichtet.

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Part of this work has been done during the author's stay at the Applied Physics Laboratory of Johns Hopkins University Laurel Maryland USA     

Note on flow instability in heated ducts

Zusammenfassung Das Problem der Stabilität der Strömung durch beheizte horizontale Kanäle gegen zweidimensionale Störungen wird in linearisierter Form als Variationsaufgabe behandelt. Die Abhängigkeit der Stabilitätsparameter von der Gestalt des Kanals wird untersucht und verglichen mit dem Fall der Stabilität der von unten beheizten Flüssigkeitsschicht.