Navier-Stokes: Strömung um einen Zylinder

Stell die Reynolds-Zahl ein, und die Seite löst die Navier-Stokes-Gleichungen für die Strömung um einen Zylinder, während du zuschaust – eingefärbt danach, in welche Richtung sich das Fluid dreht. Die Kurve unter dem Bild zeigt die Quergeschwindigkeit drei Durchmesser flussabwärts. Sie verrät dir, was das Bild nahe dem Schwellenwert nicht zeigen kann: ob sich der Nachlauf beruhigt, abklingt oder dauerhaft schwingt.

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Lektion

Die Theorie — Navier-Stokes: Strömung um einen Zylinder

Die Navier-Stokes-Gleichungen sind das zweite Newtonsche Gesetz für ein Fluid: Jedes kleine Volumenelement beschleunigt durch den Druck, der darauf lastet, und die zähe Reibung seiner Nachbarn. Für ein Fluid, das nicht komprimiert werden kann, lauten sie ∂u/∂t + (u·∇)u = −∇p/ρ + ν∇²u und ∇·u = 0, wobei u die Geschwindigkeit ist, p der Druck, ρ die Dichte und ν die kinematische Viskosität.

Was die einzelnen Symbole bedeuten

Re
die Reynolds-Zahl UD/ν, aus der Strömungsgeschwindigkeit U, dem Zylinderdurchmesser D und der kinematischen Viskosität ν. Schritt 1 zeigt, dass sie die einzige verbleibende Konstante in den Gleichungen ist
St
die Strouhal-Zahl fD/U, die Ablösefrequenz f in Einheiten von U/D
C_D
der Widerstandsbeiwert: der Widerstand pro Längeneinheit des Zylinders geteilt durch ½ρU²D
A
die Amplitude der Schwingung: die halbe Spitze-Tal-Quergeschwindigkeit drei Durchmesser hinter dem Zylinder, als Bruchteil von U
ω
die Vortizität ∂v/∂x − ∂u/∂y, die doppelte Rotationsgeschwindigkeit eines Fluidteilchens. Sie bestimmt die Farbe im Bild

Woher die Formel kommt

  1. Warum ein einziger Schieberegler ausreicht. Miss Längen in Durchmessern, Geschwindigkeiten in Einheiten von U und die Zeit in Einheiten von D/U: Setze u = U u′, x = D x′, t = (D/U) t′ und p = ρU² p′. Jeder Term auf der linken Seite der Impulsgleichung trägt dann einen Faktor U²/D, und der Druckterm ebenfalls; der Viskositätsterm trägt νU/D². Teilt man die ganze Gleichung durch U²/D, sieht sie genauso aus wie vorher, ausgedrückt in den gestrichenen Größen, nur dass aus ν ν/(UD) = 1/Re geworden ist. Zwei Strömungen mit demselben Re sind dieselbe Strömung in unterschiedlicher Größe und Geschwindigkeit. Deshalb braucht die Seite nur einen Regler und nicht vier.
  2. Wie die Seite Einpendeln von Abklingen unterscheidet. Nennen wir die Schwingungsamplitude A. Solange sie klein ist, wächst oder schrumpft sie exponentiell, dA/dt = σA. Dabei ist σ oberhalb des Schwellenwerts positiv und unterhalb negativ, und nahe dem Schwellenwert ist σ proportional zu Re − Rec. Das Wachstum kann nicht endlos weitergehen. Der erste Term, der es aufhalten kann – für eine Schwingung, die vertikal gespiegelt gleich aussieht – ist kubisch: dA/dt = σA − ℓA³, die Landau-Gleichung. Teilt man sie durch A, erhält man eine Gerade in A², d ln A/dt = σ − ℓA². Die Seite passt diese Gerade an die Zyklen jedes Durchlaufs an und liest σ ab. So erkennt sie bei Re 48, dass sich eine schrumpfende Schwingung einpendelt und nicht abklingt. Setzt man dA/dt = 0, erhält man die Schwingung, bei der sich der Nachlauf einpendelt, A∞² = σ/ℓ: eine Gerade aufgetragen über Re, die bei Rec null erreicht. Das ist die Linie im zweiten Diagramm.
  3. Null Widerstand ohne Viskosität. Ohne Viskosität lautet die Strömung um einen Zylinder mit Radius R ψ = U(r − R²/r) sin θ, und direkt auf der Oberfläche ist ihre Geschwindigkeit 2U sin θ: null vorne und hinten, doppelt so schnell wie die freie Anströmung an den Seiten. Die Bernoulli-Gleichung, p + ½ρv² konstant entlang der Strömung, wandelt das in einen Druck um, Cp = (p − p∞)/(½ρU²) = 1 − 4 sin²θ. Der Widerstand ist dieser Druck, der auf die Oberfläche drückt, einmal komplett rundherum aufsummiert: CD = ∫₀^π Cp cos θ dθ = ∫₀^π cos θ dθ − 4∫₀^π sin²θ cos θ dθ = 0 − [4 sin³θ/3]₀^π = 0. Die vordere und die hintere Hälfte heben sich exakt auf. Die Seite integriert den eigenen Druck des Lösers auf dieselbe Weise und gibt ihn als Druckanteil des Widerstands aus.
  4. Die Frequenz. Skaliert wie in Schritt 1, wird die Ablösefrequenz f zu St = fD/U, und wie alles andere in den skalierten Gleichungen kann sie nur von Re abhängen und von nichts sonst. Sobald St für eine Reynolds-Zahl bekannt ist, gilt f = St·U/D für jedes Fluid, jede Geschwindigkeit und jeden Durchmesser, die dieses Re teilen. Roshko passte St = 0,212(1 − 21,2/Re) an seine Windkanalmessungen zwischen Re 50 und 150 an; die St dieses Lösers liegt bei Re 55 um 4 % darüber und nähert sich bei Re 100 auf 1 % an.
Setzt voraus
Zwei Dimensionen: ein unendlich langer Zylinder, an dem sich in Längsrichtung nichts verändert. Ein inkompressibles Fluid, was der Löser annähert, indem er mit etwa einem Sechstel seiner eigenen Schallgeschwindigkeit rechnet. Ein zwanzig Durchmesser breiter Kanal, dessen Oberseite mit seiner Unterseite verbunden ist. Der Zylinder hat also in zwanzig Durchmessern Entfernung Nachbarn, was den Widerstand und die Frequenz um ein paar Prozent erhöht.
Versagt, wenn
Oberhalb von Re 188,5 bilden sich im echten Nachlauf Wellen entlang des Zylinders (Barkley und Henderson, 1996), und die 2D-Lösung beschreibt ihn nicht mehr. Nahe dem Schwellenwert wird alles langsamer: Bei Re 47 klingt die Schwingung nach 300 D/U immer noch ab und bräuchte über 2.000 D/U mehr, um ganz zu verschwinden. Deshalb liest die Seite den Trend mit der Landau-Gleichung ab, anstatt zu warten.

Unterhalb von etwa Re 47 kommt der Nachlauf zur Ruhe; darüber schwingen dieselben Gleichungen ewig 🖖

Klick auf Re 44 und dann auf Re 48. Der Zylinder ist symmetrisch, die ankommende Strömung ist symmetrisch, und bei beiden Reynolds-Zahlen haben die Gleichungen eine symmetrische Lösung: zwei spiegelbildliche Wirbel, die stillstehen. Bei 44 kehrt der angestoßene Nachlauf dorthin zurück. Bei 48 tut er das nie. Die symmetrische Lösung existiert zwar noch, ist aber instabil geworden, und die Strömung verlässt sie beim kleinsten Anlass. Hier liefert die Seite den Anlass selbst: ein kleiner seitlicher Schubs in der Einströmung nach jeder Änderung, und ein Zylinder, der um ein Drittel einer Zelle neben der Mittellinie des Gitters platziert ist. In einem Wasserkanal reicht jede noch so kleine Vibration. Camichels Gruppe in Toulouse hat den Schwellenwert bei 47 gemessen. Die Wachstumsrate dieses Lösers wechselt das Vorzeichen zwischen 47 und 48, bei etwa 47,4, und die Anpassung im zweiten Diagramm ergibt 47,5.

Ohne Viskosität spürt ein Zylinder keinen Widerstand 🖖

Streiche die Viskosität aus den Gleichungen, und die Strömung um einen Zylinder lässt sich mit dem Bleistift berechnen (Schritt 3 unten). Der Druck auf der hinteren Hälfte ergibt sich als Spiegelbild des Drucks auf der vorderen; Schub und Zug heben sich auf, und der Widerstand ist exakt null. Das hat d'Alembert 1752 veröffentlicht, und es wird seitdem als Paradoxon bezeichnet, weil jeder reale Körper einen Widerstand spürt. Das erste Diagramm zeigt, woran es scheitert. Bei Re 100 klettert der reibungsfreie Druck auf der Rückseite des Zylinders wieder auf +1; der des Lösers stoppt bei −0,94, weil die Strömung sich von der Oberfläche löst, bevor sich der Druck erholen kann. Dieser fehlende Druck macht mehr als drei Viertel des Widerstands aus. Der Rest ist die Haftung des Fluids an der Oberfläche: 22 % des Widerstands bei Re 100, 40 % bei Re 20.

Der Ton, den ein Draht singt, ist keine feste Zahl 🖖

St = fD/U ist die Ablösefrequenz in Einheiten der Zeit, die die Strömung für einen Durchmesser braucht. Sie wird oft auf 0,2 gerundet. Auf dieser Seite klettert sie von 0,128 bei Re 50 auf 0,169 bei 100 und 0,192 bei 180, und Roshkos Windkanal-Anpassung, die grüne Linie, steigt mit ihr: 0,167 bei Re 100. Die 0,2 gehört zu schnelleren Strömungen. Roshkos Anpassung für Re 300 bis 2.000 ergibt 0,203 bis 0,211, und dort ist der Nachlauf dreidimensional, was ein 2D-Löser nicht abbilden kann. Ein echter Nachlauf wird bei Re 188,5 dreidimensional; deshalb stoppt der Regler bei 180.

Aufgabe vollständig gelöst

Quellen (5)