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

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

Laminar two-phase boundary layers in natural convection film boiling of subcooled liquids

Zusammenfassung Es wird die zweiphasige Grenzschichtströmung behandelt, die in unterkühlter Flüssigkeit entsteht, wenn die wärmeabgebende (vertikale) Wand eine Temperatur oberhalb des Leidenfrost-Punktes hat. Unter Einschluss des Impulstransportes an der Phasengrenzfläche werden asymptotische Lösungen ermittelt, die für sehr geringe und sehr hohe Flüssigkeitsunterkühlung gelten. Von den beiden Grenzfällen ausgehend lässt sich eine Interpolationsformel angeben, welche mit Wärmeübergangsmessungen verglichen wird, die das thermische Verhalten des organisch gekühlten Reaktors simulieren. In erster Näherung stimmen Rechnung und Experiment überein, wenn man die Streuung der Messwerte und vereinfachende Rechnungsannahmen berücksichtigt.     

Heat transfer to magnetohydrodynamic flow in a flat duct

Zusammenfassung Die Untersuchung befasst sich mit der Wärmeübertragung von den Wänden eines flachwandigen Kanals auf eine elektrisch leitende Flüssigkeit bei erzwungener Laminarströmung und in Gegenwart eines quergerichteten Magnetfeldes. Betrachtet wird der Fall konstanter Wandtemperatur mit variierender innerer Wärmeentwicklung durch viskose und elektrische Energiedissipation. Die massgebende Differentialgleichung wird durch eine Differenzengleichung ersetzt und mit der elektronischen Rechenmaschine gelöst. Als Resultat wird die Nusseltzahl angegeben, für die Prandtlzahl 1, die Hartmannzahlen 0, 4, 10 und die Graetzzahlen von 10 bis 10 000, wobei die Kennzahlen für Zähigkeit und elektrische Feldstärke als Parameter auftreten.     

An initial value problem in rectilinear flow of a thermo-viscoelastic material with memory

Zusammenfassung Die Grundgleichungen für eine Theorie der Thermo-Viskoelastizität von Stoffen mit Gedächtnis werden auf das Problem der gradlingen Schichtströmung zwischen zwei Wärmespeichern angewandt. Es werden die Geschwindigkeit, die Spannungen und die Wärmeströmung bestimmt.

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Acknowledgement. This work was sponsored by the National Science Foundation under Research Grant NSF GK99.     

Damped and thermally driven acoustic oscillations in wide and narrow tubes

Zusammenfassung Die Theorie von Kirchhoff für gedämpfte Schwingungen in langen Rohren und die darauf aufgebaute Theorie von Kramers für thermisch getriebene akustische Oszillationen wird neu hergeleitet, wobei die sogenannte Grenzschichtvereinfachung zunächst nicht benötigt wird. Es zeigt sich, dass für Helium eine in der Kramersschen Theorie auftretende Konstante fast genau verschwindet; dies hat zur Folge, dass für thermische Schwingungen in Helium eine Grenzschichttheorie erster Ordnung versagt. Durch Hinzunahme von Gleidern, die vom Grenzschichtstandpunkt als Grössen zweiter Ordnung erscheinen, wird die Theorie thermisch getriebener Oszillationen für Helium in Übereinstimmung mit der Erfahrung gebracht.     

Non-linear couette flow with heat transfer using the B-G-K model

Zusammenfassung Die Wärmeübertragung in der ebenen Couette-Strömung eines verdünnten Gases ist mit Hilfe der Momenten-Methode, angewendet auf das nicht lineare B-G-K-Modell, untersucht worden. Im Falle der isothermen Strömung reduziert sich die Geschwindigkeitsverteilung auf die Resultate der linearisierten B-G-K-Gleichung. Die Übereinstimmung der Resultate für die Temperaturverteilung und den Wärmefluss mit den Ergebnissen von früheren Arbeiten ist befriedigend.     

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

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

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

     

A theory of mixtures with microstructure

Zusammenfassung Eine Theorie der Mischungen von Flüssigkeiten mit Mikrostruktur wird von einem Energiepostulat hergeleitet, wobei das Prinzip der Indifferenz des Bezugssystems benutzt wird. Es werden Definitionen für die Wärmeproduktion der Mischung, innere Energie, Wärmeströmung und Spannungen gegeben, welche mit denjenigenTruesdells übereinstimmen.     

A note on the stability of generalized Couette flow

Zusammenfassung Die Stabilität der laminaren Strömung zwischen zwei koaxialen Kreiszylindern, die durch Rotation des inneren Zylinders und Wirkung eines konstanten Druckgradienten in Umfangsrichtung erzeugt wird, wird untersucht mit Hilfe eines Näherungsverfahrens, welches nur die bekannten Stabilitätskriterien für Couette-Strömung zwischen zwei gegenrotierenden Zylindern und Poiseuille-Strömung in einem gekrümmten Kanal benutzt. Es ergibt sich dass solch eine Methode kritische Werte für das Auftreten der Instabilität liefert, die in guter Übereinstimmung mit denen vonDi Prima [2] sind und dass die Methode eine zufriedenstellende Erklärung für die ziemlich unerwartete Abhängigkeit des Taylor-Görtler-Parameters und der kritischen Wellenzahl von der Grösse des azimutalen Druckgradienten gibt.     

Self-similar solution of unsteady compressible three-dimensional stagnation-point boundary layers

Summary The self-similar solution of the unsteady laminar compressible boundary-layer flow with variable properties at a three-dimensional stagnation point with mass transfer has been obtained when the free-stream velocity varies inversely as a linear function of time. The resulting ordinary differential equations have been solved numerically using an implicit finite-difference scheme. The results are found to be strongly dependent on the parameter characterizing the unsteadiness in the free-stream velocity. The velocity profiles show some features not encountered in steady flows.

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Zusammenfassung Ähnliche Lösungen der nichtstationären laminaren kompressiblen Grenzschichtströmung mit veränderlichen Stoffgrößen ist für einen dreidimensionalen Staupunkt mit Massen-Übertragung erhalten worden, für den Fall, daß die Anströmung invers zu einer linearen Funktion der Zeit variiert. Es entsteht eine gewöhnliche Differentialgleichung, die numerisch mit einer impliziten Differenzenmethode gelöst wurde. Die Ergebnisse hängen stark von dem Parameter ab, der die Nicht-Stationärität der Anströmung kennzeichnet. Die Geschwindigkeitsprofile zeigen einige Eigenschaften die in stationärer Strömung nicht auftreten.

     

On the curvature of compressible boundary layer flows near separation

Summary Oswatitsch's analytical expression for the slope of a viscous flow separation or reattachment streamline is shown to be consistent with detailed experimental data on a supersonic boundary layer flow past a compression corner. An extension of his analysis is then given which yields a comparable new relation for the streamlinecurvature just above separation in either laminar or turbulent two-dimensional compressible boundary layer flows. This result is applied to examine the possible occurrence of Görtler streamwise vortices due to such curvature.

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Zusammenfassung Es wird gezeigt, daß die analytische Beziehung von Oswatitsch für den Neigungswinkel einer zähflüssigen Strömungsablösung (oder das Wiederanlegen), in Übereinstimmung ist mit detaillierten Versuchsergebnissen an einer Überschall-Grenzschichtströmung längs einer Kompressionsecke. Darüber hinaus wird eine Erweiterung dieser Theorie angegeben, welche eine vergleichbare Beziehung für die Stromlinienkrümmung im Bereich über dem Ablösepunkt, sowohl für laminare als auch turbulente zweidimensionale Grenzschichtströmung gibt. Dieses Ergebnis wird zu einer Abschätzung möglichen Auftretens von Görtlerschen Wirbeln in Strömungsrichtung infolge dieser Krümmung verwendet.

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Based on work supported partially by the US Air Force Office of Scientific Research under Contract F49620-76-C-0013 and by the Alexander Humboldt Foundation.     

Rectilinear laminar flow of a visco-elastic fluid

Zusammenfassung Eine inkompressible viskoelastische Flüssigkeit fliesst zwischen zwei parallelen, starren, unendlichen Wänden. Es wird unter der Voraussetzung, dass die eine Wand fest ist und die andere sich mit einer exponentiell abklingenden Geschwindigkeit bewegt, das zur Aufrechterhaltung einer speziellen laminaren Strömung nötige Kraftfeld bestimmt.     

Skin friction and heat transfer on a circular cylinder moving in a fluid at rest

Summary The incompressible laminar stationary flow along a circular cylinder drawn through an orifice with constant velocity is studied. The surrounding fluid is at rest. (Manufacture of fibers.) For skin friction and heat transfer, a solution for high values of Reynolds number is given in the form of an asymptotic expansion. The special second-order effects, entrainment and curvature, are studied. It is shown that the entrainment effect becomes important for skin friction when the distance from the orifice is small, whereas the influence on heat transfer is small. The curvature effect on skin friction and heat transfer is given as a function of Reynolds number and distance from the orifice.

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Zusammenfassung Es wird die inkompressible, laminare und stationäre Strömung entlang eines mit konstanter Geschwindigkeit bewegten Kreiszylinders untersucht, der aus einer Öffnung hervortritt (Spinnprozeß). Das umgebende Fluid in großer Entfernung vom Zylinder befinde sich dabei in Ruhe. Für die Schubspannung und den Wärmeübergang bei großen Reynoldszahlen wird eine Lösung in Form einer asymptotischen Entwicklung angegeben. Insbesondere werden die Effekte 2. Ordnung, Verdrängung und Krümmung, untersucht. Es wird gezeigt, daß der Verdrängungseffekt für kleine Abstände von der Zylinderaustrittsöffnung für die Schubspannung von Bedeutung wird, wohingegen der Wärmeübergang dadurch nur wenig beeinflußt wird. Der Einfluß der Krümmung auf die Wandschubspannung und den Wärmeübergang wird als Funktion der Reynoldszahl und des Abstandes von der Zylinderaustrittsöffnung angegeben.

     

The influence of turbulence on the transfer of heat to cylinders near the stagnation point

Zusammenfassung Es wird das problem des Einflusses der Turbulenz auf den Wärmeübergang an einem quer angeströmten Zylinder untersucht. Die Untersuchung beschränkt sich auf den Teil des Umfangs, über den sich die laminare Grenzschicht erstreckt. Einige ältere Messungen an der Vorderseite eines Zylinders werden miteinander verglichen, und es zeigt sich, dass ein wichtiger Parameter, nämlich die Intensität der Vorturbulenz bei den Untersuchungen nicht berücksichtigt worden ist. Die bekannten Messungen von Schmidt und Wenner werden kritisch untersucht und der genannte Effekt wird an ihnen aufgezeigt.Weiter werden eigene Messungen der lokalen Nusseltschen Zahl beschrieben. Die Messungen waren durchgeführt worden an der Vorderseite eines einzelnen Zylinders im Querstrom, und zwar in drei sich nicht überdeckenden Gebieten der Intensität der Vorturbulenz. Die Versuchsanordnung wird beschrieben und mögliche Einflüsse der Veränderung der Druckverteilung am Zylinder werden diskutiert. Obwohl dieser letztere Effekt nicht völlig eliminiert worden war, zeigen die Versuche doch klar, dass steigende Turbulenz ein starkes Anwachsen der lokalen Nusselt-Zahl bedingt. Dieses Anwachsen ist bei kleiner Turbulenz besonders stark. Ein Vergleich mit der theoretischen Lösung Froesslings, die für Turbulenz 0 gilt, zeigt, dass die Turbulenz den Wärmeübergang in der Staulinie bis zu 80% erhöhen kann, bei einer Turbulenzvariation von 0–3%.Diese Ergebnisse, die qualitativ interpretiert werden, stützen die Hypothese einer früheren Veröffentlichung, die annimmt, dass der Effekt durch Änderungen der laminaren Grenzschicht, die hervorgerufen werden durch Schwankungen von zunehmender Amplitude, wie sie bei zunehmenden Vorturbulenzen auftreten, bedingt ist.     

A note on the estimation of critical Mach numbers for compressible flow

Summary A method for estimating values of critical free stream Mach numbers is devised for flows past aerofoils. It is based on a variational formulation of the boundary value problem for compressible inviscid flow. The method is applied to two-dimensional flow past ellipses, and fairly good agreement with other estimates is obtained for thick ellipses.

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Zusammenfassung Es wird eine Methode zur Abschätzung der kritischen Anström-Mach-Zahl der freien Umströmung von Tragflügeln entwickelt. Sie beruht auf einer variationstheoretischen Formulierung des Randwertproblemes für die kompressible nicht-zähe Strömung. Die Methode wird auf die zwei-dimensionale Umströmung von Ellipsen angewandt. Die Übereinstimmung der Ergebnisse mit anderen Abschätzungen für den Fall dicker Ellipsen ist befriedigend.

     

A second order solution for the non-equilibrium flow of a relaxing gas in a plane expansion

Zusammenfassung Um eine analytische Lösung zu erhalten, welche Effekte der endlichen Entropie- und Wirbelstärkeerzeugung berücksichtigt, ist die linearisierte Theorie formell durch Einbeziehung von Grössen zweiter Ordnung erweitert worden. Anwendungen sind gegeben für den Fall einer ebenen Expansionsströmung eines harmonisch relaxierenden Gases, das sich nicht im Gleichgewicht befindet. Die Theorie zweiter Ordnung zeigt eine Verbesserung gegenüber der ersten Ordnung in der Voraussage der Zustandsgrössen entlang der Wand. Insbesondere wird eine Abschätzung der Abweichungen der asymptotischen Wandwerte des Druckes, der Temperatur usw. vom entsprechenden Gleichgewichtswert für unendliche Reaktionsgeschwindigkeiten ermöglicht.     

Diffusionsprobleme in Strömungen mit diskontinuierlicher Geschwindigkeitsverteilung I

Zusammenfassung Betrachtet wird die zweidimensionale, stationäre Massen- oder Wärmediffusion in einer reibungsfreien, parallelen Kanalströmung. Diese ist in zwei Gebiete mit jeweils konstantem Massenfluss unterteilt. Die Massenflüsse können gleich oder entgegengesetzt gerichtet sein. Auf deren Unstetigkeitsfläche befindet sich möglicherweise eine Zwischenwand mit einem Schlitz. Im Falle der Massendiffusion ist auch der Einfluss eines Gravitationsfeldes senkrecht zur Strömungsrichtung mitberücksichtigt. Die diffundierende Substanz wird von einer Punktquelle produziert. Das Randwertproblem wird mit der Singularitätenmethode behandelt und auf eine Integralgleichung zurückgeführt. Exakte oder angenäherte analytische Lösungen werden in verschiedenen Spezialfällen angegeben. In diesem ersten Teil der Publikation werden folgende zwei Fälle behandelt: Eine Quelle in einem unbegrenzten Medium und in einer Kanalströmung ohne Zwischenwände.

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Summary This paper deals with two-dimensional diffusion of mass or heat in a non-viscous parallel channel flow. The flow is divided into two regions with constant mass fluxes, which have the same or the opposite directions. The two flow regions are possibly separated by a wall, except for a strip of finite length, across which transport may occur. In the case of mass diffusion, the influence of a gravity field perpendicular to the direction of the flow is considered. The diffusing substance is produced by a source singularity. The boundary value problem is treated with the method of singularities and reduced to an integral equation. Exact or approximate analytical solutions are given for various special cases. In this first part of the paper, the following two cases are considered: A source in an unbounded medium and a source in a channel flow without an inner wall.

     

The vertical plate in laminar free convection: Effects of leading and trailing edges and discontinuous temperature

Summary For laminar free-convection flow past a heated vertical plate of finite length, the local asymptotic flow structure is studied in regions where the boundary-layer equations do not provide a correct approximation at large Grashof numbers. The leading-edge region is shown to contribute a secondorder term to the integrated heat transfer. An integral form of the energy equation permits calculation of this correction in terms of the second-order boundary-layer solution away from the edge, without knowledge of the flow details near the edge, which can be obtained only by solution of the full Navier-Stokes equations. Near the trailing edge and near a jump in the prescribed plate temperature the longitudinal pressure gradient is found to be important in a thin sublayer adjacent to the plate, and the transverse pressure gradient is important in the remainder of the boundary layer, each for a distance along the plate which is slightly larger in order of magnitude than the boundary-layer thickness. At the trailing edge the sublayer problem is nonlinear and cannot be solved analytically, but it can be shown that the local correction to the total heat transfer is of slightly larger order of magnitude than the leading-edge correction. It is pointed out that the trailing-edge flow is identical in form to the flow near the edge of a rotating disc in a stationary fluid. The temperature-jump problem is linear and a solution is given which shows how the singularity in streamline slope predicted by the boundary-layer solution is removed.

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Zusammenfassung Bei laminarer natürlicher Strömung längs einer senkrecht stehenden endlichen geheizten Platte bei sehr grossen Grashof'schen Zahlen gibt es kleine Bereiche, bei denen die Grenzschichtgleichungen keine echte asymptotische Darstellung liefern. Im Vorderkantenbereich findet man ein Zusatzglied zweiter Ordnung für die gesamte Wärmeübertragung. Die Berechnung dieser Korrektur erfolgt durch eine Integralform der Energiegleichung, wobei nur die Lösung der Grenzschichtgleichung zweiter Ordnung fern von der Kante benützt wird, während die Kenntnis der Strömung in der Nähe der Kante nur durch eine Lösung der exakten Navier-Stokes'schen Gleichungen gefunden werden könnte. In der Nähe der Hinterkante und in der Nähe einer Diskontinuität der gegebenen Plattentemperatur wird das Längsdruckgefälle in einer dünnen Unterschicht wichtig; das Querdruckgefälle wird in dem restlichen Teil der Grenzschicht berücksichtigt, für eine Länge, deren Grössenordnung etwas grösser ist, als die der Grenzschichtdicke. Bei der Hinterkante ist das Unterschichtsproblem nicht linear, und es gibt keine analytische Lösung, aber man kann zeigen, dass die Grössenordnung der Korrektur der gesamten Wärmeübertragung etwas grösser ist als die Korrektur bei der Vorderkante. Die Strömung bei der Hinterkante ist dieselbe wie die Strömung bei der Kante einer rotierenden Scheibe in einer sonst ruhenden Flüssigkeit. Das Temperatur-Diskontinuitätsproblem ist linear, und eine Lösung ist hier gefunden worden, wodurch die von der Grenzschichttheorie gegebene Singularität (unendliche Quergeschwindigkeit) entfernt wird.

     

Magneto-hydrodynamic channel flow as influenced by wall conductance

Zusammenfassung Die Theorie vonHartmann undLazarus, Shercliff undChang sowieLundgren der magneto-hydrodynamischen Kanalströmung wird erweitert, indem der elektrische Leitungswiderstand von gegenüberliegenden Wänden als verschieden gross angenommen wird. Es zeigt sich merkwürdigerweise, dass die Geschwindigkeits- und Stromdichteverteilung nach wie vor symmetrisch bleibt. Beide Verteilungen hängen nur von der Summe der Wandleitungsfähigkeiten ab und von der Hartmann-Zahl.     

Approximate solution of the propagation of an axisymmetric blast wave generated by a finite spherical charge

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Ausbreitung starker Stosswellen in einem idealen Gas ohne innere Reibung und Wärmeleitung. Für den Fall einer axialsymmetrischen Strömung werden Ähnlichkeitstransformationen angegeben, welche die Eulerschen Gleichungen in sphärischen Polarkoordinaten auf ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen reduzieren. Die klassischen Lösungen von SirG. I. Taylor sind in den angegebenen Transformationen enthalten.Es wird weiter gezeigt, dass der Ähnlichkeitsansatz keine exakte Lösung für den Fall einer von einer endlichen explodierenden Ladung erzeugten Stosswelle liefert, jedoch eine Näherungslösung gestattet.Numerische Ergebnisse für eine kugelförmige Stosswelle, erzeugt durch die Explosion einer endlichen Ladung, sowie für eine axialsymmetrische Stosswelle, erzeugt durch eine Punktladung endlicher Energie, werden mitgeteilt.