Flow in porous media III: Deformable media

Stokes flow in a deformable medium is considered in terms of an isotropic, linearly elastic solid matrix. The analysis is restricted to steady forms of the momentum equations and small deformation of the solid phase. Darcy's law can be used to determine the motion of the fluid phase; however, the determination of the Darcy's law permeability tensor represents part of the closure problem in which the position of the fluid-solid interface must be determined.Roman Letters A interfacial area of the- interface contained within the macroscopic system, m² - A interfacial area of the- interface contained within the averaging volume, m² - A _e area of entrances and exits for the-phase contained within the macroscopic system, m² - A ^* interfacial area of the- interface contained within a unit cell, m² - A _e ^* area of entrances and exits for the-phase contained within a unit cell, m² - E Young's modulus for the-phase, N/m² - e i unit base vectors (i = 1, 2, 3) - g gravity vector, m²/s - H height of elastic, porous bed, m - k unit base vector (=e ₃) - characteristic length scale for the-phase, m - L characteristic length scale for volume-averaged quantities, m - n unit normal vector pointing from the-phase toward the-phase (n = -n ) - p pressure in the-phase, N/m² - P p – g·r, N/m² - r ₀ radius of the averaging volume, m - r position vector, m - t time, s - T total stress tensor in the-phase, N/m² - T ⁰ hydrostatic stress tensor for the-phase, N/m² - u displacement vector for the-phase, m - V averaging volume, m₃ - V volume of the-phase contained within the averaging volume, m³ - v velocity vector for the-phase, m/s Greek Letters V /V, volume fraction of the-phase - mass density of the-phase, kg/m³ - shear coefficient of viscosity for the-phase, Nt/m² - first Lamé coefficient for the-phase, N/m² - second Lamé coefficient for the-phase, N/m² - bulk coefficient of viscosity for the-phase, Nt/m² - T –T ⁰ , a deviatoric stress tensor for the-phase, N/m²     

Determination of permeability tensors for two-phase flow in homogeneous porous media: Theory

In this paper we continue previous studies of the closure problem for two-phase flow in homogeneous porous media, and we show how the closure problem can be transformed to a pair of Stokes-like boundary-value problems in terms of pressures that have units of length and velocities that have units of length squared. These are essentially geometrical boundary value problems that are used to calculate the four permeability tensors that appear in the volume averaged Stokes' equations. To determine the geometry associated with the closure problem, one needs to solve the physical problem; however, the closure problem can be solved using the same algorithm used to solve the physical problem, thus the entire procedure can be accomplished with a single numerical code.Nomenclature a a vector that maps V onto , m^-1. - A a tensor that maps V onto . - A area of the - interface contained within the macroscopic region, m². - A area of the -phase entrances and exits contained within the macroscopic region, m². - A area of the - interface contained within the averaging volume, m². - A area of the -phase entrances and exits contained within the averaging volume, m². - Bo Bond number (= (=(–)g²/). - Ca capillary number (= v/). - g gravitational acceleration, m/s². - H mean curvature, m^-1. - I unit tensor. - permeability tensor for the -phase, m². - viscous drag tensor that maps V onto V. - ^* dominant permeability tensor that maps onto v , m². - ^* coupling permeability tensor that maps onto v , m². - characteristic length scale for the -phase, m. - l characteristic length scale representing both and , m. - L characteristic length scale for volume averaged quantities, m. - n unit normal vector directed from the -phase toward the -phase. - n unit normal vector representing both n and n . - n unit normal vector representing both n and n . - P pressure in the -phase, N/m². - p superficial average pressure in the -phase, N/m². - p intrinsic average pressure in the -phase, N/m². - p –p , spatial deviation pressure for the -phase, N/m². - r ₀ radius of the averaging volume, m. - r position vector, m. - t time, s. - v fluid velocity in the -phase, m/s. - v superficial average velocity in the -phase, m/s. - v intrinsic average velocity in the -phase, m/s. - v –v , spatial deviation velocity in the -phase, m/s. - V volume of the -phase contained within the averaging volmue, m³. - averaging volume, m³. Greek Symbols V /, volume fraction of the -phase. - viscosity of the -phase, Ns/m². - density of the -phase, kg/m³. - surface tension, N/m. - (v +v ^T ), viscous stress tensor for the -phase, N/m².     

Heat conduction in a cylinder crossed by an electric current with skin effect

The steady periodic temperature distribution in an infinitely long solid cylinder crossed by an alternating current is evaluated. First, the time dependent and non-uniform power generated per unit volume by Joule effect within the cylinder is determined. Then, the dimensionless temperature distribution is obtained by analytical methods in steady periodic regime. Dimensionless tables which yield the amplitude and the phase of temperature oscillations both on the axis and on the surface of copper or nichrome cylindrical electric resistors are presented.

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Wärmeleitung in einem stromdurchflossenen Zylinder unter Berücksichtigung des Skin-Effektes

Zusammenfassung Es wird die periodische Temperaturverteilung für den eingeschwungenen Zustand in einem unendlich langen, von Wechselstrom durchflossenen Vollzylinder ermittelt. Zuerst erfolgt die Bestimmung der zeitabhängigen, nichgleichförmigen Energiefreisetzung pro Volumeneinheit des Zylinders infolge Joulescher Wärmeentwicklung und anschließend die Ermittlung der quasistationären Temperaturverteilung auf analytischem Wege. Amplitude und Phasenverzögerung der Temperaturschwingungen werden für die Achse und die Oberfläche eines Kupfer- oder Nickelchromzylinders tabellarisch in dimensionsloser Form mitgeteilt.

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Nomenclature A integration constant introduced in Eq. (2) - ber, bei Thomson functions of order zero - Bi Biot numberhr ₀/ - c speed of light in empty space - c ₁,c ₂ integration constants introduced in Eq. (46) - c _p specific heat at constant pressure - E electric field - E _z component ofE alongz - E time independent part ofE, defined in Eq. (1) - f function ofs and defined in Eq. (11) - g function ofs and defined in Eq. (37) - h convection heat transfer coefficient - H magnetic field - i imaginary uniti=(–1)^1/2 - I electric current - I _eff effective electric currentI _eff=I/2^1/2 - Im imaginary part of a complex number - J _n Bessel function of first kind and ordern - J electric current density - q _g power generated per unit volume - time average of the power generated per unit volume - time averaged power per unit length - r radial coordinate - R electric resistance per unit length - r ₀ radius of the cylinder - Re real part of a complex number - s dimensionless radial coordinates=r/r ₀ - s, s integration variables - t time - T temperature - time averaged temperature - T _f fluid temperature outside the boundary layer - time average of the surface temperature of the cylinder - u, functions ofs, and defined in Eqs. (47) and (48) - W Wronskian - x position vector - x real variable - Y _n Bessel function of second kind and ordern - z unit vector parallel to the axis of the cylinder - z axial coordinate - · modulus of a complex number - equal by definition Greek symbols amplitude of the dimensionless temperature oscillations - electric permittivity - dimensionless temperature defined in Eq. (16) - ₀, ₁, ₂ functions ofs defined in Eq. (22) - thermal conductivity - dimensionless parameter=(2)^1/2 - magnetic permeability - ₀ magnetic permeability of free space - function of defined in Eq. (59) - dimensionless parameter=c _p/() - mass density - electric conductivity - dimensionless time=t - phase of the dimensionless temperature oscillations - function ofs:= ₁+i ₂ - angular frequency - dimensionless parameter=()^1/2 r ₀     

Eine analytische Näherungslösung für die eingefrorene laminare Grenzschichtströmung eines binären Gemisches

Zusammenfassung Für die eingefrorene laminare Grenzschichtströmung eines teilweise dissoziierten binären Gemisches entlang einer stark gekühlten ebenen Platte wird eine analytische Näherungslösung angegeben. Danach läßt sich die Wandkonzentration als universelle Funktion der Damköhler-Zahl der Oberflächenreaktion angeben. Für das analytisch darstellbare Konzentrationsprofil stellt die Damköhler-Zahl den Formparameter dar. Die Wärmestromdichte an der Wand bestehend aus einem Wärmeleitungs- und einem Diffusionsanteil wird angegeben und diskutiert. Das Verhältnis beider Anteile läßt sich bei gegebenen Randbedingungen als Funktion der Damköhler-Zahl ausdrücken.

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An analytical approximation for the frozen laminar boundary layer flow of a binary mixture

An analytical approximation is derived for the frozen laminar boundary layer flow of a partially dissociated binary mixture along a strongly cooled flat plate. The concentration at the wall is shown to be a universal function of the Damkohler-number for the wall reaction. The Damkohlernumber also serves as a parameter of shape for the concentration profile which is presented in analytical form. The heat transfer at the wall depending on a conduction and a diffusion flux is derived and discussed. The ratio of these fluxes is expressed as a function of the Damkohler-number if the boundary conditions are known.

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Formelzeichen A Atom - A₂ Molekül - C Konstante in Gl. (20) - c₁=1/(2C) Konstante in Gl. (35) - c_p spezifische Wärme bei konstantem Druck - D binärer Diffusionskoeffizient - Ec=u ² /(2h_f) Eckert-Zahl - h spezifische Enthalpie - h_t=h+u²/2 totale spezifische Enthalpie - h _A ⁰ spezifische Dissoziationsenthalpie - K_w Reaktionsgeschwindigkeitskonstante der heterogenen Wandreaktion - 1= /( ) Champman-Rubesin-Parameter - Le=Pr/Sc Lewis-Zahl - M Molmasse - p statischer Druck - Pr= c_pf/ Prandtl-Zahl - q_w Wärmestromdichte an der Wand - q_cw, q_dw Wärmeleitungsbzw. Diffusionsanteil der Wärmestromdichte an der Wand - universelle Gaskonstante - R=/(2M_a) individuelle Gaskonstante der molekularen Komponente - Re_x= u x/ Reynolds-Zahl - Sc=/( D) Schmidt-Zahl - T absolute Temperatur - T_d=h _A ⁰ /R charakteristische Dissoziationstemperatur - u, v x- und y-Komponenten der Geschwindigkeit - U=u/u normierte x-Komponente der Geschwindigkeit - x, y Koordinaten parallel und senkrecht zur Platte Griechische Symbole - =A/ Dissoziationsgrad - Grenzschichtdicke - ₂ Impulsverlustdicke - Damköhler-Zahl der Oberflächenreaktion - =T/T normierte Temperatur - =y/ normierter Wandabstand - Wärmeleitfähigkeit - dynamische Viskosität - , ^* Ähnlichkeitskoordinaten - Dichte - Schubspannung Indizes A auf ein Atom bezogen - M auf ein Molekül bezogen - f auf den eingefrorenen Zustand bezogen - w auf die Wand bezogen - auf den Außenrand der Grenzschicht bezogen     

Ein Rechenmodell für reagierende turbulente Scherströmungen im chemischen Nichtgleichgewicht

Zusammenfassung Zur Berechnung turbulenter Strömungen mit chemischen Reaktionen wird ein Schlie\ungsmodell 2. Ordnung vorgeschlagen, das auch die Berücksichtigung von chemischem Nichtgleichgewicht erlaubt. Es besteht aus dem k- Modell zur Schlie\ung der gemittelten Impulsgleichungen, einem thermodynamischen Modell zur Schlie\ung der Zustandsgieichungen und der Energiegleichung und einem Mischungsmodell, das den Grad der Vermischung der Komponenten beschreibt und damit die Schlie\ung der gemittelten Stofferhaltungsgleichungen erlaubt.Für die Behandlung der gemittelten reaktionskinetischen Quellterme der Stofferhaltungsgleichungen wird eine Modifikation des Reihenansatzes von Borghi [7] vorgeschlagen, der die AnnÄherung an den Gleichgewichtszustand besser beschreibt. Das Modell wird auf die von Batt [11, 12] vermessene ebene Scherströmung angewendet und zeigt gute übereinstimmung zwischen Rechnung und Experiment.

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A method for predicting reacting turbulent shear flows with chemical non-equilibriums

A prediction model based on second order closure for the calculation of reacting turbulent flows including chemical non-equilibrium is put forward. It consists of the k- model for the closure of the mean momentum equations, the thermodynamic model for the closure of the mean equations of state and the mean energy-equation and the mixing model that describes the degree of mixedness of the components and consequently leads to the closure of the mean mass transport equations. A modification of the series truncation method of Borghi [7] is suggested that improves the representation of the mean chemical source terms as equilibrium is approached. The results of the calculations are compared with the measurements of Batt [11, 12] in a turbulent plane shear layer with and without reaction and show good agreement.

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Bezeichnungen C_i,j Turbulenzkonstante - D Divergenz der Geschwindigkeit (m/s) - D_b, D_f Vorexponentielle Faktoren im Arrheniusansatz (m³/kmol) - E_b, E_f Exponenten im Arrheniusansatz - F_b, F_f Aktivierungsenergie (K) - H_i Bezugsenthalpie der i-ten Komponente (kJ/kg) - K_i,j Turbulenzkonstante - KON Anzahl der im System vorkommenden Komponenten - M_i Molmasse (kg/kmol) - NR Anzahl der im System vorkommenden Elementargleichungen - Q_ij Konzentrationskorrelation zwischen der i-ten und der j-ten Komponente (kg²/m⁶) - R Restglied der Taylorentwicklung für die Geschwindigkeitskoeffizienten - T Temperatur (K) - a_b, a_f,b_b, b_f Koeffizienten der Taylorreihenentwicklung der Geschwindigkeitskoeffizienten - c_i Massenkonzentration der i-ten Komponente - c₁ Turbulenzkonstante der -Gleichung - c₂ Turbulenzkonstante der -Gleichung - c₃ Turbulenzkonstante der -Gleichung - c_pi spezifische WÄrmekapazitÄt der i-ten Komponente (kJ/kg/K) - h_i spezifische Enthalpie des Gesamtsystems (kJ/kg/K) - k Turbulenzenergie (m²/s²) - k_fj, k_bj Geschwindigkeit der j-ten Elementarreaktion (m³/kmol) - p Druck (N/m²) - v, (u,v,w) Geschwindigkeit (m/s) - x, (x,y,z) Raumkoordinate (m) - Molekularer Diffusionskoeffizient (m²/s) - Allgemeine Gaskonstante (kJ/kmol K) - w_i Quellterm der Konzentrationserhaltungsgleichungen (kg/m³/s) - _ijij stöchiometrische Koeffizienten deriten Komponente in der j-ten Elementarreaktion (VorwÄrtsreaktion ,RückwÄrtsreaktion) - _ij Kronecker-Symbol - Turbulente Dissipation (m²/s³) - Molekulare WÄrmeleitfÄhigkeit (KJ/m/s/K) - Dynamische ZÄhigkeit (kg/m/s) - _t Turbulente dynamische ZÄhigkeit(kg/ m/s) - kinematische ZÄhigkeit (m²/s) - _t Turbulente kinematische ZÄhigkeit (m²/s) - Turbulente Prandtlzahl Mittelwert und Schwankungsgrö\en Unbewichteter Mittelwert - · Unbewichtete Schwankungsgrö\e - Bewichteter (Favre-) Mittelwert - · Bewichtete (Favre-)Schwankungsgrö\e Indizes i,j Komponentenindex - , Summations-oder Vektorindex (,=1,2,3) - b RückwÄrtsreaktion - f VorwÄrtsreaktion     

The virtual origin of riblets in an open channel flow

In this paper, a method using the mean velocity profiles for the buffer layer was developed for the estimation of the virtual origin over a riblets surface in an open channel flow. First, the standardized profiles of the mixing length were estimated from the velocity measurement in the inner layer, and the location of the edge of the viscous layer was obtained. Then, the virtual origins were estimated by the best match between the measured velocity profile and the equations of the velocity profile derived from the mixing length profiles. It was made clear that the virtual origin and the thickness of the viscous layer are the function of the roughness Reynolds number. The drag variation coincided well with other results.Nomenclature f _r skin friction coefficient - f _ro skin friction coefficient in smooth channel at the same flow quantity and the same energy slope - g gravity acceleration - H water depth from virtual origin to water surface - H ⁺ u*H/ - H false water depth from top of riblets to water surface - H ⁺ u*H/ - I _e streamwise energy slope - I _b bed slope - k riblet height - k ⁺ u*k/ - l mixing length - l _s standardized mixing length - Q flow quantity - Re Reynolds number volume flow/unit width/v - s riblet spacing - u mean velocity - u* friction velocity = - u* false friction velocity = - y distance from virtual origin - y distance from top of riblet - y ₀ distance from top of riblet to virtual origin - y _v distance from top of riblet to edge of viscous layer - y ⁺ u*y/ - y ⁺ u*y/ - y ₀ ⁺ u*y ₀/ - u ⁺ u*y/ - shifting coefficient for standardization - thickness of viscous layer=y ₀+y - ⁺ u*/ - ⁺ u*/ - eddy viscosity - ridge angle - v kinematic viscosity - density - shear stress     

Approximate solutions for drag coefficient of bubbles moving in shear-thinning elastic fluids

The drag coefficient for bubbles with mobile or immobile interface rising in shear-thinning elastic fluids described by an Ellis or a Carreau model is discussed. Approximate solutions based on linearization of the equations of motion are presented for the highly elastic region of flow. These solutions are in reasonably good agreement with the theoretical predictions based on variational principles and with published experimental data. C _D Drag coefficient - E ^* Differential operator [E ^{* 2} = ²/² + (sin/ ²)/(1/sin /)] - El Ellis number - F _D Drag force - K Consistency index in the power-law model for non-Newtonian fluid - n Flow behaviour index in the Carreau and power-law models - P Dimensionless pressure [=(p – p ₀)/₀ (U /R)] - p Pressure - R Bubble radius - Re ₀ Reynolds number [= 2R U /₀] - Re Reynolds number defined for the power-law fluid [= (2R) ⁿ U ^2–n /K] - r Spherical coordinate - t Time - U Terminal velocity of a bubble - u Velocity - Wi Weissenberg number - Ellis model parameter - Rate of deformation - Apparent viscosity - ₀ Zero shear rate viscosity - Infinite shear rate viscosity - Spherical coordinate - Parameter in the Carreau model - ^* Dimensionless time [=/(U /R)] - Dimensionless length [=r/R] - Second invariant of rate of deformation tensors - ^* Dimensionless second invariant of rate of deformation tensors [=/(U /R)²] - Second invariant of stress tensors - ^* Dimensionless second invariant of second invariant of stress tensor [= / ₀ ² (U /R)²] - Fluid density - Shear stress - ^* Dimensionless shear stress [=/ ₀ (U /R)] - _1/2 Ellis model parameter - ₁ ^2/* Dimensionless Ellis model parameter [= _1/2/ ₀(U /R)] - Stream function - ^* Dimensionless stream function [=/U R ²]     

Pseudoähnlichkeitslösung des Rayleighschen Problems für reinviskose nicht-newtonsche Flüssigkeiten

Zusammenfassung Die exakte Ähnlichkeitslösung des Problems der nichtstationären Strömung einer hypothetischen Potenzflüssigkeit in der Umgebung einer ruckartig beschleunigten Platte (Rayleighsches Problem) wird zur Konstruktion einer Näherungslösung des analogen rheodynamischen Problems für reinviskose nicht-newtonsche Flüssigkeiten benutzt. Die Überprüfung der Genauigkeit der genäherten Pseudoähnlichkeitslösung basiert auf Berechnungen der Residuen der integralen Bilanzen des Impulses und der mechanischen Energie. Numerische Ergebnisse dieses Problems werden für das Powell-Eyringsche Modell der Viskositätsfunktion angegeben.

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Summary The exact similarity solution of the problem of the unsteady flow of a hypothetic power-law liquid near a suddenly started plate (Rayleigh's problem) is employed for the construction of an approximative solution of the same problem for arbitrary purely viscous non-Newtonian liquids. The testing of accuracy of this approximative pseudosimilarity solution is based on calculation of residua in the macroscopic balances of momentum and mechanical energy. Numerical results are reported for the Powell-Eyring model of the viscosity function.

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Symbole a Parameter der Ähnlichkeitslösung, definiert durch die Gln. [21] und [22],a =C ₀/B ₀ - B ₀ Parameter der Ähnlichkeitslösung, definiert durch Gl. [22] - B ₁ Parameter der Ähnlichkeitslösung, definiert durch Gl. [37] - C ₀ Parameter der Ähnlichkeitslösung, definiert durch Gl. [21] - D Differentialoperator, Gl. [10a, b] - Ey Kennzahl der rheologischen Ähnlichkeit für das Powell-Eyringsche Modell der Viskositätsfunktion, Gl. [43]G = / _I G _w = _w/ _I - K Konsistenzkoeffizient, Parameter des Potenzmodells der Viskositätsfunktion [7] - K scheinbarer Konsistenzkoeffizient, Gl. [23b] - n Fließindex des Potenzmodells der Viskositätsfunktion [7] - n scheinbarer Fließindex - n Index der logarithmischen Konvexität der Viskositätsfunktion - r unabhängige Veränderliche in der Ähnlichkeitslösung des Rayleighschen Problems, Gl. [17] - r unabhängige Veränderliche der Pseudoähnlichkeitslösung, Gl. [26]S = / _I S _w = _w/_I - t Zeit - T normierte Zeitvariable, Gl. [9c] - u ₀ Geschwindigkeit der Platte - U (Y, T) Pseudoähnlichkeitsnäherung des FeldesV (Y, T) - V (Y, T) normiertes Geschwindigkeitsfeld, Gl. [9a — c] - Y normierte Entfernung von der Platte, Gl. [9b] - W(r; n) Ähnlichkeitsdarstellung des Geschwindigkeitsfeldes, Gl. [20a, b] - Schergeschwindigkeit, Gl. [4] - _I Schergeschwindigkeits-Parameter der Viskositätsfunktion (Stoffkonstante) - _w momentane Schergeschwindigkeit an der Wand - _M normiertes Residuum der Impulsbilanz - _E normiertes Residuum der Bilanz der mechanischen Energie - dimensionsloser Parameter, definiert durch die Gln. [13] und [14] - dimensionsloser Parameter, definiert durch Gl. [23c] - Dichte - ₁₂, Schubspannung bei einer viskometrischen Strömung - [] Viskositätsfunktion - _I Schubspannungs-Parameter der Viskositätsfunktion (Stoffkonstante) - _w momentane Schubspannung an der Wand Mit 2 Abbildungen     

On the prediction of riblet performance with engineering turbulence models

The paper reports the outcome of a numerical study of fully developed flow through a plane channel composed of ribleted surfaces adopting a two-equation turbulence model to describe turbulent mixing. Three families of riblets have been examined: idealized blade-type, V-groove and a novel U-form that, according to computations, achieves a superior performance to that of the commercial V-groove configuration. The maximum drag reduction attained for any particular geometry is broadly in accord with experiment though this optimum occurs for considerably larger riblet heights than measurements indicate. Further explorations bring out a substantial sensitivity in the level of drag reduction to the channel Reynolds number below values of 15 000 as well as to the thickness of the blade riblet. The latter is in accord with the trends of very recent, independent experimental studies.Possible shortcomings in the model of turbulence are discussed particularly with reference to the absence of any turbulence-driven secondary motions when an isotropic turbulent viscosity is adopted. For illustration, results are obtained for the case where a stress transport turbulence model is adopted above the riblet crests, an elaboration that leads to the formation of a plausible secondary motion sweeping high momentum fluid towards the wall close to the riblet and thereby raising momentum transport.Nomenclature c _f Skin friction coefficient - c _f Skin friction coefficient in smooth channel at the same Reynolds number - k Turbulent kinetic energy - K ⁺ k/ _w - h Riblet height - S Riblet width - H Half height of channel - Re Reynolds number = volume flow/unit width/ - Modified turbulent Reynolds number - R _t turbulent Reynolds numberk ²/ - P _k Shear production rate ofk, _t (U _i /x _j + U _j /x _i ) U _i /x _j - dP/dz Streamwise static pressure gradient - U _i Mean velocity vector (tensor notation) - U Friction velocity, _w/ where _w=–H dP/dz - W Mean velocity - W _b Bulk mean velocity through channel - y ⁺ yU /v. Unless otherwise stated, origin is at wall on trough plane of symmetry - Kinematic viscosity - _t Turbulent kinematic viscosity - Turbulence energy dissipation rate - Modified dissipation rate – 2(k ^1/2/x _j )² - Density - _k , Effective turbulent Prandtl numbers for diffusion ofk and      

Transcendentally small transversality in the rapidly forced pendulum

The rapidly forced pendulum equation with forcing sin((t/), where =<₀^p,p = 5, for ₀, sufficiently small, is considered. We prove that stable and unstable manifolds split and that the splitting distanced(t) in the ( ,t) plane satisfiesd(t) = sin(t/) sech(/2) +O( ₀ exp(–/2)) (2.3a) and the angle of transversal intersection,, in thet = 0 section satisfies 2 tan/2 = 2S _s = (/2) sech(/2) +O(( ₀ /) exp(–/2)) (2.3b) It follows that the Melnikov term correctly predicts the exponentially small splitting and angle of transversality. Our method improves a previous result of Holmes, Marsden, and Scheuerle. Our proof is elementary and self-contained, includes a stable manifold theorem, and emphasizes the phase space geometry.     

A general model for the effective viscosity of pseudoplastic and dilatant fluids

Summary A new and very general expression is proposed for correlation of data for the effective viscosity of pseudoplastic and dilatant fluids as a function of the shear stress. Most of the models which have been proposed previously are shown to be special cases of this expression. A straightforward procedure is outlined for evaluation of the arbitrary constants.

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Zusammenfassung Eine neue und sehr allgemeine Formel wird für die Korrelation der Werte der effektiven Viskosität von strukturviskosen und dilatanten Flüssigkeiten in Abhängigkeit von der Schubspannung vorgeschlagen. Die meisten schon früher vorgeschlagenen Methoden werden hier als Spezialfälle dieser Gleichung gezeigt. Ein einfaches Verfahren für die Auswertung der willkürlichen Konstanten wird beschrieben.

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Nomenclature b arbitrary constant inSisko model (eq. [5]) - n arbitrary exponent in eq. [1] - x independent variable - y(x) dependent variable - y ₀(x) limiting behavior of dependent variable asx 0 - y(x) limiting behavior of dependent variable asx - z original dependent variable - arbitrary constant inSisko model (eq. [5]) andBird-Sisko model (eq. [6]) - arbitrary exponent in eqs. [2] and [8] - effective viscosity = shear stress/rate of shear - _A effective viscosity at = _A - _B empirical constant in eqs. [2] and [8] - ₀ limiting value of effective viscosity as 0 - ₀() limiting behavior of effective viscosity as 0 - limiting value of effective viscosity as - () limiting behavior of effective viscosity as - rate of shear - arbitrary constant inBird-Sisko model (eq.[6]) - shear stress - _A arbitrary constant in eqs. [2] and [8] - ₀ shear stress at inBingham model - _1/2 shear stress at = ( ₀ + )/2 With 8 figures     

Stabilitätsrechnung der Rohrströmung einer inkompressiblen viskoelastischen Flüssigkeit zweiter Ordnung

Zusammenfassung Für die Durchsatzströmung im Rohr wird mit Hilfe der klassischen hydrodynamischen Stabilitätstheorie gezeigt, daß die inkompressible Flüssigkeit zweiter Ordnungs = –pI + 2(d + 2t ₁ d ² –t ₀ d) stabil ist gegenüber kleinen rotationssymmetrischen Störungen.

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Summary For Poiseuille pipe flow it is shown by means of the classical theory of hydrodynamic stability, that the incompressible second-order fluids = –pI + 2(d + 2t ₁ d ² –t ₀ d) is stable with respect to small disturbances of rotational symmetry.

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Nomenklatur a _n Koeffizienten der Reihenentwicklung - c = /k komplexe Wellengeschwindigkeit - d Deformationsgeschwindigkeitstensor - D, D dimensionsloser Deformationsgeschwindigkeitstensor (Grund- und Störtensor) - e _i kovariante Basis - g Vektor der Erdbeschleunigung - I Einheitstensor - k Wellenzahl - M, O, S, Q, T Funktion vonk, Re, ₀ - p, P, p Gesamt-, Grund-, Stördruck - r, (r, , z) dimensionsloser Ortsvektor (Zylinderkoordinaten) - R Rohrradius - Re =U _M R/ Reynoldszahl - s(s ^*=s*pI) Spannungstensor (Isotroper Anteil des ) - t ₀,t ₁ Stoffzeiten, Parameter der Flüssigkeit zweiter Ordnung - t Zeit - u, U, u Vektor der Gesamt-, Grund-, Störgeschwindigkeit - U _M Maximale Grundgeschwindigkeit - v, V, v Vektor der dimensionslosen Gesamt-, Grund-, Störgeschwindigkeit - w Rotationsgeschwindigkeitstensor - W, W Rotationsgeschwindigkeitstensor, dimensionslos (Grund-, Störtensor) - x (x _r ,x ,x _z ) Ortsvektor (Zylinderkoordinaten) - Viskosität - ₀, ₁ dimensionslose Stoffzeiten - dimensionsloser Druck - Dichte - dimensionslose Zeit - Stromfunktion, dimensionslos - komplexe Frequenz, dimensionslos - = e ⁱ /x _i Nablaoperator (e ⁱ kontravariante Basis) - _* Nablaoperator, dimensionslos - R, I Real-, Imaginärteil Mit 4 Abbildungen     

Unsteady convective diffusion in a rotating parallel plate channel

The paper presents an exact analysis of the dispersion of a passive contaminant in a viscous fluid flowing in a parallel plate channel driven by a uniform pressure gradient. The channel rotates about an axis perpendicular to its walls with a uniform angular velocity resulting in a secondary flow. Using a generalized dispersion model which is valid for all time, we evaluate the longitudinal dispersion coefficientsK _i (i=1, 2, ...) as functions of time. It is shown thatK ₁=0 andK ₃,K ₄, ... decay rapidly in comparison withK ₂. ButK ₂ decreases with increasing (the dimensionless rotation parameter) for values of upto approximately =2.2. ThereafterK ₂ increases with further increase in and its value gets saturated for large values of (say, 500) and does not change any further with increase in . A physical explanation of this anomalous behaviour ofK ₂ is given.

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Instationäre konvektive Diffusion in einem rotierenden Parallelplattenkanal

Zusammenfassung In dieser Untersuchung wird eine exakte Analyse der Ausbreitung eines passiven Kontaminierungsstoffes in einer zähen Flüssigkeit gegeben, die, befördert durch einen gleichförmigen Druckgradienten, in einem Parallelplattenkanal strömt. Der Kanal rotiert mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit um eine zu seinen Wänden senkrechte Achse, wodurch sich eine Sekundärströmung ausbildet. Unter Verwendung eines generalisierten, für alle Zeiten gültigen Dispersionsmodells werden die longitudinalen DispersionskoeffizientenK _i (i=1, 2, ...) als Funktionen der Zeit ermittelt. Es wird gezeigt, daßK ₁=0 gilt und dieK ₃,K ₄, ... gegenüberK ₂ schnell abnehmen.K ₂ nimmt ab, wenn , der dimensionslose Rotationsparameter, bis etwa zum Wert 2,2 ansteigt. Danach wächstK ₂ mit bis auf einem Endwert an, der etwa ab =500 erreicht wird. Dieses anomale Verhalten vonK ₂ findet eine physikalische Erklärung.

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List of symbols C solute concentration - D molecular diffusivity - K _i longitudinal dispersion coefficients - 2L depth of the channel - P ₀ dimensionless pressure gradient along main flow - Pe Péclet number - q velocity vector - Q _x,Q _y mass flux along the main flow and the secondary flow directions - dimensionless average velocity along the main flow direction - (x, y, z) Cartesian co-ordinates Greek symbols dimensionless rotation parameter - the inclination of side walls withx-axis - kinematic viscosity - fluid density - dimensionless time - angular velocity of the channel - dimensionless distance along the main flow direction - dimensionless distance along the vertical direction - dimensionless solute concentration - integral of the dispersion coefficientK ₂() over a time interval     

Transport in ordered and disordered porous media IV: Computer generated porous media for three-dimensional systems

In the method of volume averaging, the difference between ordered and disordered porous media appears at two distinct points in the analysis, i.e. in the process of spatial smoothing and in the closure problem. In theclosure problem, the use of spatially periodic boundary conditions isconsistent with ordered porous media and the fields under consideration when the length-scale constraint,r ₀L is satisfied. For disordered porous media, spatially periodic boundary conditions are an approximation in need of further study.In theprocess of spatial smoothing, average quantities must be removed from area and volume integrals in order to extractlocal transport equations fromnonlocal equations. This leads to a series of geometrical integrals that need to be evaluated. In Part II we indicated that these integrals were constants for ordered porous media provided that the weighting function used in the averaging process contained thecellular average. We also indicated that these integrals were constrained by certain order of magnitude estimates for disordered porous media. In this paper we verify these characteristics of the geometrical integrals, and we examine their values for pseudo-periodic and uniformly random systems through the use of computer generated porous media.

Nomenclature

Roman Letters A interfacial area of the- interface associated with the local closure problem, m² - A _e area of entrances and exits for the-phase contained within the averaging system, m² - a _i i=1, 2, 3 gaussian probability distribution used to locate the position of particles - I unit tensor - L general characteristic length for volume averaged quantities, m - L characteristic length for , m - L characteristic length for , m - characteristic length for the -phase particles, m - ⁰ reference characteristic length for the-phase particles, m - characteristic length for the-phase, m - _i i=1, 2, 3 lattice vectors, m - m convolution product weighting function - m _v special convolution product weighting function associated with the traditional volume average - n _i i=1, 2, 3 integers used to locate the position of particles - n unit normal vector pointing from the-phase toward the-phase - n _e outwardly directed unit normal vector at the entrances and exits of the-phase - r _p position vector locating the centroid of a particle, m - r gaussian probability distribution used to determine the size of a particle, m - r ₀ characteristic length of an averaging region, m - r position vector, m - r _m support of the weighting functionm, m - averaging volume, m³ - V volume of the-phase contained in the averaging volume,, m³ - x positional vector locating the centroid of an averaging volume, m - x ₀ reference position vector associated with the centroid of an averaging volume, m - y position vector locating points relative to the centroid, m - y position vector locating points in the-phase relative to the centroid, m Greek Letters indicator function for the-phase - Dirac distribution associated with the- interface - V /V, volume average porosity - /L, small parameter in the method of spatial homogenization - standard deviation ofa _i - _r standard deviation ofr - _r intrinsic phase average of      

Schwere symmetrische Kreisel kleiner Nutationen

Zusammenfassung Zur Integration der Eulerschen Bewegungsgleichungen schwerer symmetrischer Kreisel werden der Winkel (t) (Abb. 1) durch (t)=₀+(t) ersetzt und in sämtlichen Reihenentwicklungen von abhängiger Funktionen die Potenzen höheren als zweiten Grades vernachlässigt. Dadurch ist es möglich, die Eulerschen Winkel (t), (t) und (t) durch elementare Formeln zu beschreiben und somit sind die wesentlichsten Erscheinungen im Bewegungsablauf der schweren symmetrischen Kreisel einfach zu übersehen.     

Diffuse approximation method for solving natural convection in porous media

The diffuse approximation is presented and applied to natural convection problems in porous media. A comparison with the control volume-based finite-element method shows that, overall, the diffuse approximation appears to be fairly attractive.Nomenclature H height of the cavities - I functional - K permeability - p(M _i ,M) line vector of monomials - p ^T p-transpose - M current point - Nu Nusselt number - Ri inner radius - Ro outer radius - Ra Rayleigh number - x, y cartesian coordinates - u, v velocity components - T temperature - M vector of estimated derivatives - _t thermal diffusivity - coefficient of thermal expansion - practical aperture of the weighting function - scalar field - (M, M _i ) weighting function - streamfunction - kinematic viscosity     

Mixed convection flow in narrow vertical ducts

The mixed convection flow in a vertical duct is analysed under the assumption that , the ratio of the duct width to the length over which the wall is heated, is small. It is assumed that a fully developed Poiseuille flow has already been set up in the duct before heat from the wall causes this to be changed by the action of the buoyancy forces, as measured by a buoyancy parameter . An analytical solution is derived for the case when the Reynolds numberRe, based on the duct width, is of 0 (1). This is extended to the case whenRe is 0 (^–1) by numerical integrations of the governing equations for a range of values of representing both aiding and opposing flows. The limiting cases, || 1 andR=Re of 0 (1), andR and both large, with of 0 (R ^1/3) are considered further. Finally, the free convection limit, large with R of 0 (1), is discussed.

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Mischkonvektion in engen senkrechten Rohren

Zusammenfassung Mischkonvektion in einem senkrechten Rohr wird unter der Voraussetzung untersucht, daß das Verhältnis der Rohrbreite zur Länge, über welche die Wand beheizt wird, klein ist. Es wird angenommen, daß sich bereits eine voll entwickelte Poiseuille-Strömung in dem Rohr eingestellt hat, bevor Antriebskräfte, gemessen mit dem Auftriebsparameter , aufgrund der Wandbeheizung die Strömung verändern. Es wird eine analytische Lösung für den Fall erhalten, daß die mit der Rohrbreite als charakteristische Länge gebildete Reynolds-ZahlRe konstant ist. Dies wird mittels einer numerischen Integration der wichtigsten Gleichungen auf den FallRe =f (^–1) sowohl für Gleich- als auch für Gegenstrom ausgedehnt. Weiterhin werden die beiden Grenzfälle betrachtet, wenn || 1 undR=Re konstant ist, sowieR und beide groß mit proportionalR ^1/3. Schließlich wird der Grenzfall der freien Konvektion, großes mit konstantem R, diskutiert.

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Nomenclature g acceleration due to gravity - Gr Grashof number - G modified Grashof number - h duct width - l length of the heated section of the duct wall - p pressure - Pr Prandtl number - Q flow rate through the duct - Q ₀ heat transfer on the wally=0 - Q ₁ heat transfer on the wally=1 - Re Reynolds number - R modified Reynolds number - T temperature of the fluid - T ₀ ambient temperature - T applied temperature difference - u, velocity component in thex-direction - v, velocity component in they-direction - x, co-ordinate measuring distance along the duct - y, co-ordinate measuring distance across the duct - buoyancy parameter - ₀ modified buoyancy parameter, ₀=R ^–1/3 - coefficient of thermal expansion - ratio of duct width to heated length, =h/l - (non-dimensional) temperature - _w applied temperature on the wally=0 - kinematic viscosity - density of the fluid - ₀ shear stress on the wally=0 - ₁ shear stress on the wally=1 - stream function     

Modellvorstellung zur turbulenten Filmkondensation strömenden Dampfes

Zusammenfassung Der Wärmeübergang bei turbulenter Film kondensation strömenden Dampfes an einer waagerechten ebenen Platte wurde mit Hilfe der Analogie zwischen Impuls-und Wärmeaustausch untersucht. Zur Beschreibung des Impulsaustausches im Film wurde ein Vierbereichmodell vorgestellt. Nach diesem Modell wird die wellige Phasengrenze als starre rauhe Wand angesehen. Die Abhängigkeit einer Schubspannungs-Nusseltzahl von der Film-Reynoldszahl und Prandtlzahl wurde berechnet und dargestellt.

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A model for turbulent film condensation of flowing vapour

The heat transfer in turbulent film condensation of flowing vapour on a horizontal flat plate was investigated by means of the analogy between momentum and heat transfer. To describe the momentum transfer in the film a four-region model was presented. With this model the wavy interfacial surface is treated as a stiff rough wall. A shear Nusselt number has been calculated and represented as a function of film Reynolds number and Prandtl number.

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Formelzeichen a Temperaturleitkoeffizient - k Mischungswegkonstante - k _s äquivalente Sandkornrauhigkeit - Nu _x lokale Schubspannungs-Nusseltzahl,Nu _x=x_xv/uw - Pr Prandtlzahl,Pr=v/a - Pr _t turbulente Prandtlzahl,Pr _t =_m/_q - q Wärmestromdichte _q - R Wärmeübergangswiderstand - R_f Wärmeübergangswiderstand des Films - Re _F Reynoldszahl der Filmströmung - T Temperatur - U, V Geschwindigkeitskomponenten des Dampfes in waagerechter und senkrechter Richtung - u, Geschwindigkeitskomponenten des Kondensats in waagerechter und senkrechter Richtung - V Querschwankungsgeschwindigkeit des Kondensats und des Dampfes - u _/gtD Schubspannungsgeschwindigkeit an der Phasengrenze für die Dampfgrenzschicht, uD =(/)^1/2 - u _F Schubspannungsgeschwindigkeit an der Phasengrenze für den Kondensatfilm,u _F =(/)^1/2 - u _w Schubspannungsgeschwindigkeit an der Wand der Kühlplatte,u _w =(w/)^1/2 - y Wandabstand - x Wärmeübergangskoeffizient - gemittelte Kondensatfilmdicke - _s Dicke der zähen Schicht der Filmströmung an der welligen Phasengrenze - ₄ Dicke der zähen Schicht der Filmströmung an der gemittelten glatten Phasengrenze - Wärmeleitzahl - dynamische Viskosität - v kinematische Viskosität - Dichte - Oberflächenspannung - _w Wandschubspannung - Schubspannung an der Phasengrenzfläche - _m turbulente Impulsaustauschgröße - _q turbulente Wärmeaustauschgröße Indizes d Wert des Dampfes - w Wert an der Wand - x lokaler Wert inx - Wert an der Phasengrenze Stoffgrößen ohne Index gelten für das Kondensat     

Der Einfluß variabler Stoffwerte auf natürliche laminare Konvektionsströmungen

Zusammenfassung Es wird zunächst die laminare natürliche Konvektionsströmung in der Nähe eines ebenen Staupunktes und für die senkrechte Platte betrachtet. Die Stoffgesetze werden in der Umgebung des Bezugszustandes T (Umgebungstemperatur) in Taylor-Reihen entwickelt, deren Koeffizienten dimensionslose Stoffkennzahlen — wie die Prandtl-Zahl — sind, die als freie Parameter in die Rechnung eingehen. Wandschubspannung und Wärmeübergang lassen sich für beliebige Stoffgesetze als Potenzreihe eines Parameters universell angeben. Der Entwicklungsparameter ist dabei ein Maß für die Stärke der Wärmeübertragung. Ein Vergleich mit der Methode der Stoffwertverhältnisse ermöglicht die Bestimmung der dort vorkommenden Exponenten für alle Stoffe, ohne daß auf empirische Daten zurückgegriffen werden muß. Aus den Ergebnissen wird dann eine nicht-rationale Näherungsbeziehung für beliebige zylindrische Körper gewonnen.

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The influence of variable fluid properties to free convection laminar flows

First the free convection laminar flow near a plane stagnation point and at the vertical flat plate is investigated. The functions describing the temperature dependence of the fluid properties are expanded as Taylor series at the reference state T (ambient temperature) whose coefficients are dimensionless fluid properties like the Prandtl number, but are not specified for particular fluids. Shear stress and heat flux at the wall are given for arbitrary temperature dependence of the fluid properties as universal power series of a parameter. This perturbation parameter describes the strength of heat transfer. Comparison with the property-ratio method shows how the exponents in that method depend on the fluid properties without any need of empirical information. From these results a non-rational approximation for arbitrary cylindrical bodies is developed.

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Formelzeichen c _a integrierter Reibungsbeiwert, Gl. (64) - c _f Reibungsbeiwert, Gl. (49) - c _p spez. Wärmekapazität bei konstantem Druck - d Transformationsparameter, Gl. (6) - e Exponent bei der Verteilung der Wandtemperatur, Kap. 2 - f( _s ) dimensionslose Stromfunktion, Gl. (7) - f ₀ f(_s) für konstante Stoffwerte - f _1i dimensionslose Stromfunktionen, Gl. (25) i=1,2, 3, 4 - g Erdbeschleunigung - Gr Grashof-Zahl, Kap. 4 - K _a Kombination aus dimensionslosen Stoffwerten, Gl. (24) - k _ij dimensionslose Stoffwerte, Gln. (13) bis (17) i=1, 2; j=,,,c - k _ij dimensionslose Stoffwerte, Gln. (20) bis (23) i=1,2; j=, - L Bezugslänge, Tabelle 1 - L _i Linear-Operatoren, Gln. (37) bis (40) i=1,2,3,4 - m _i Exponenten, Gl. (59), i=1, 2, 3, 4 - Hilfsfunktionen, Gl. (53), i=1,2, 3, 4 - n _i Exponenten, Gl. (60), i=1,2,3,4 - Hilfsfunktionen, Gl. (55), i=1, 2, 3, 4 - N _u Nusselt-Zahl, Kap. 6 - Pr ^*,Pr Prandtl-Zahl, Tabelle 1 - q _w Wärmefluß an der Wand, Gl. (50) - Q _w Gesamt-Wärmefluß an der Wand, Gl. (63) - T absolute Temperatur - u _b Bezugsgeschwindigkeit, Kap. 4 - u, v Geschwindigkeitskomponenten - x, y kartesische Koordinaten - Kontur-Neigungswinkel, Bild 1 - Volumenausdehnungskoeffizient, Gl. (13) - Entwicklungsparameter, Gl. (15) - Viskosität - _s Ähnlichkeitsvariable, Gl. (6) - ( _S ) dimensionslose Temperatur, Tabelle 1 - ₀ (_S) dimensionslose Temperatur bei konstanten Stoffwerten - _1i imensionslose Temperaturen, Gl. (26) i=1,2, 3, 4 - Wärmeleitfähigkeit - kinematische Viskosität - Dichte _W Wandschubspannung - Stromfunktion - _i Exponenten, Gl. (69) i=,,,c_p Indizes c.p. konstante Stoffwerte - L an der StelleL ^* - m mittlerer Wert - W Wand - mgebungszustand     

The three dimensional incompressible laminar boundary layer on a spinning cone

Summary The motion of an incompressible viscous fluid induced by a spinning cone is analytically studied and similar solutions of the relevant steady state boundary equations are obtained. Some of the numerical results are shown to be obtainable from the Karman-Cochran solution for the infinite disc.Symbols and Notation p Pressure - p Pressure at infinity - p ₀ Pressure at the wall - Density - Transverse component of velocity - Normal component of velocity - Radial component of velocity - Angular velocity - Semi-vertex angle - Re Reynolds number with respect to _o - _o Transverse component of velocity at the cone surface - Kinematic viscosity This research is sponsored by the Air Force Office of Scientific Research, Fluid Mechanics Division, under Contract Number AF 18(600)-498.