Fluidmechanik turbulenter Str¨omungen/ Fluid mechanics of turbulent flows (VNr. 6221806) SS 2015 Prof. Dr. Markus Uhlmann Stand 1. April 2015 1 Zeit und Ort/Time and location Zeit: Kursbeginn: Ort: 2 Dienstag 9:45 – 11:15 Uhr 14.4.2015 HS 59, Geb¨ aude 10.81 Tuesday 9:45 – 11:15 h 14.4.2015 HS 59, Bldg. 10.81 Kontakt/Contact Sprechstunden: Ort: Telefon: Email: 3 Time: Start: Location: nach Vereinbarung Raum 122, Geb. 10.81 0721-608 47245 (Sekretariat) [email protected] Consultation: Location: Phone: by appointment Room 122, Bldg. 10.81 0721-608 47245 Ziele der Vorlesung/Aim and scope of the course • Einf¨ uhrung in die Physik turbulenter Str¨omungen und der Problematik ihrer Berechnung/ Introduction to turbulent flow physics and computational approaches • Einf¨ uhrung in die statistische Analyse von turbulenten Str¨omungsfelddaten/ Introduction to statistical analysis of turbulent flow data • Detaillierte Beschreibung der verschiedenen Skalen turbulenter Str¨omungen/ The scales of turbulent flows • Grundlegende Str¨ omungstypen: freie Scherstr¨omungen, wandnahe Str¨omungen/ Basic building blocks: free shear flows, wall-bounded flows • Laminar-turbulenter Umschlag/Laminar-turbulent transition 4 ¨ Vorlesungs- und Ubungsmaterialien, Skript/Supporting material Werden unter ILIAS zur Verf¨ ugung gestellt. Bitte treten Sie dort diesem Kurs bei. Die URL ist wie folgt: https://ilias.studium.kit.edu/goto produktiv crs 414447.html Please register under the above indicated URL. 5 Notwendige Vorkenntnisse/Prerequisites • Grundkenntnisse in Str¨ omungsmechanik/Basic fluid mechanics • Grundkenntnisse in Mathematik (partielle DGLs, Statistik, Fourieranalyse) / Mathematics (PDEs, statistics, Fourier analysis) • Englischkenntnisse (Vorlesungsmaterial) 1 6 Pru ¨ fung/Exam Der Leistungsnachweis besteht aus einer 30 min¨ utigen m¨ undlichen Pr¨ ufung. Der Termin der Pr¨ ufung wird noch bekanntgegeben. Bitte signalisieren Sie vor Ende der Vorlesungszeit Ihr Interesse an einer Pr¨ ufung. / Oral exam, 30 minutes, date to be announced. 7 Zeitliche Planung/Inhalt der Vorlesung/Planning 1. Kapitel (14.4./21.4.): Organisatorisches & allgemeine Einf¨ uhrung zu turbulenten Str¨ omungen/General introduction to turbulent flows Motivation – was ist Turbulenz? – Kennzeichen von turbulenten Str¨omungen – Konsequenzen f¨ ur den Ingenieur – m¨ ogliche Berechnungsverfahren: DNS, LES und RANS 2. Kapitel (28.4./5.5.): Grundgleichungen/The basic flow equations Herleitung der verschiedenen Bilanzgleichungen – Masse, Impuls, Energie, Wirbelst¨arke, Enstrophie – Transformationseigenschaften 3. Kapitel (12.5./19.5.): Statistische Beschreibung turbulenter Str¨ omungen/Statistical description of turbulent flows Statistische Werkzeuge zur quantitativen Analyse von Zufallsvariablen, -prozessen und -feldern – Herleitung der gemittelten Navier-Stokes Gleichungen – Schliessungsproblem 4. Kapitel (2.6./9.6.): Freie Scherstr¨ omungen/Free shear flows Beschreibung der Str¨ omung im runden Freistrahl – turbulente Grenzschichtgleichungen – Energiebilanz – Schliessung mit konstanter Wirbelviskosit¨at – Herausbildung kleiner Skalen 5. Kapitel (16.6./23.6.): Die Skalen der turbulenten Str¨ omung/The scales of turbulent flow ¨ Die turbulente Energiekaskade – Kolmogorov’s Ahnlichkeitstheorie der kleinen Skalen – Energiebilanz im Wellenzahlraum 6. Kapitel (30.6./7.7.): Wandnahe turbulente Str¨ omungen/Wall-bounded turbulent flows Rohrstr¨ omung, Kanalstr¨ omung, Grenzschicht – Turbulenzstruktur nahe der Wand – koh¨arente Strukturen – Rauhigkeitseffekte Puffertermin, Wiederholung /Buffer date, recap (14.7.): ¨ L¨ osung von begleitend ausgeteilten Ubungsaufgaben, analytisch und zu geringerem Teil numerisch (Matlab/Octave); Wiederholung, Pr¨ ufungsvorbereitung. Literatur/References [1] S.B. Pope. Turbulent flows. Cambridge University Press, 2000. [2] P.A. Davidson. Turbulence: an introduction for scientists and engineers. Oxford University Press, 2004. [3] M. Van Dyke. An album of fluid motion. Parabolic Press, 1982. [4] J. Matthieu and J. Scott. An introduction to turbulent flow. Cambridge University Press, 2000. [5] U. Frisch. Turbulence: The legacy of A.N. Kolmogorov. Cambridge U. Press, 1995. [6] H. Tennekes and J.L. Lumley. First Course in Turbulence. The MIT Press, 1972. [7] H. Schlichting and K. Gersten. Grenzschicht–Theorie. Springer, tenth edition, 2006. [8] P.K. Kundu and I.M. Cohen. Fluid mechanics. Academic Press, 2nd edition, 2002. [9] R. Aris. Vectors, Tensors, and the Basic Equations of Fluid Mechanics. Dover Science and Maths, 1962. [10] A.H. Shapiro. National committee for fluid mechanics films, 1972. http://web.mit.edu/hml/ncfmf.html. 2
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