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authorAdrian Kummerlaender2019-02-07 13:47:47 +0100
committerAdrian Kummerlaender2019-02-07 13:47:47 +0100
commitbda6e6c9080366459153d68557ec9b21071dc53c (patch)
tree6ce38ad3bebc63da4cbc6bc74bff64b6926062b4
parentb7a62adb42dc58bba8f599d51491a17ab9623ff8 (diff)
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Define drag and lift coefficients
-rw-r--r--content.tex29
-rw-r--r--img/cylinder2d_drag_comparison.tikz5
-rw-r--r--img/cylinder2d_lift_comparison.tikz5
3 files changed, 29 insertions, 10 deletions
diff --git a/content.tex b/content.tex
index 6152e39..ecb5985 100644
--- a/content.tex
+++ b/content.tex
@@ -1072,24 +1072,45 @@ Klar zu erkennen ist die in der verfeinerten Variante deutlich bessere Diskretis
Bevor wir dazu kommen bemerken wir, dass sich mit dieser flexibleren Verteilung der Knotenfreiheitsgrade hier auch ein, bis jetzt nur in der Einführung erwähnter, Vorteil von Gitterverfeinerung illustriert: Selbst wenn ein Verfeinerungsverfahren bezogen auf den Fehler im Vergleich mit analytischen Lösungen keine Verbesserungen oder sogar leichte Einbußen produziert, kann es doch potenziell eingesetzt werden, um Probleme zu behandeln, welche anderweitig nicht oder nur mit deutlich höherem Speicher- und Rechenaufwand zugänglich wären.
-\subsubsection{Vergleich von Widerstands- und Auftriebskräften}
+\subsubsection{Vergleich von Widerstands- und Auftriebskoeffizienten}
+
+Bis hier haben wir die den Einfluss von Gitterverfeinerung auf die Zylinderumströmung entweder subjektiv, durch Vergleich der Strömungsbilder, oder grob, durch einfachen Vergleich der für eine divergenzfreie Simulation benötigten Knotenanzahl, bewertet. Wie eingangs erwähnt, existiert für die vorliegende Strömungssituation keine analytische Lösung, weshalb wir uns für eine formal belastbarere Bewertung auf vertrauenswürdige aber ebenfalls simulierte Referenzwerte stützen wollen.
+
+\citetitle{SchaeferTurek96}~\cite{SchaeferTurek96} liefert eine, dieser formalen Bewertung dienliche, Übersicht der, von 17 verschiedenen Forschungsgruppen beigetragenen und auf unterschiedliche Weisen gewonnenen, Lösungen einer klar definierten Zylinderumströmung. Diese Lösungen sind dabei anhand einer Auswahl von charakteristischen Messwerten wie dem Strömungswiderstands- und Auftriebskoeffizient sowie dem Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite des Zylinders gegeben.
+
+\begin{Definition}[Strömungswiderstands- und Auftriebskraft]
+Beschreite der Weg \(S\) den Rand des Zylinders und sei \(n \in \R^2\) dessen Normale, \(v_t\) die Geschwindigkeit entlang der Tangente \(t:=(n_1,-n_0)\), \(P\) der Druck, \(\rho\) die Dichte sowie \(\nu\) die kinematische Viskosität. Dann sind Widerstands- und Auftriebskraft des Zylinders gegeben als:
+\begin{align*}
+F_w &= \int_S \left( \rho \nu \frac{\partial v_t}{\partial n} n_1 - P n_0 \right) dS && \text{Widerstandskraft}\\
+F_a &= - \int_S \left( \rho \nu \frac{\partial v_t}{\partial n} n_0 + P n_1 \right) dS && \text{Auftriebskraft}
+\end{align*}
+\end{Definition}
+
+\newpage
+\begin{Definition}[Strömungswiderstands- und Auftriebskoeffizient]
+Sei \(D\) der Durchmesser des Zylinders, \(\overline{U}\) die durschnittliche Fluidgeschwindigkeit und \(\rho\) die Dichte. Dann sind die Widerstands- und Auftriebskoeffizienten gegeben als:
+\begin{align*}
+c_w &= \frac{2F_w}{\rho \overline{U}^2 D} && \text{Widerstandskoeffizient} \\
+c_a &= \frac{2F_a}{\rho \overline{U}^2 D} && \text{Auftriebskoeffizient}
+\end{align*}
+\end{Definition}
\begin{figure}[H]
\centering
\input{img/cylinder2d_drag_comparison.tikz}
-\caption{Verlauf der Widerstandskraft verglichen mit \cite[Tabelle~4]{SchaeferTurek96}}
+\caption{Vergleich des Strömungswiderstandskoeffizients mit \cite[Tabelle~4]{SchaeferTurek96}}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\centering
\input{img/cylinder2d_lift_comparison.tikz}
-\caption{Verlauf der Auftriebskraft verglichen mit \cite[Tabelle~4]{SchaeferTurek96}}
+\caption{Vergleich des Auftriebskoeffizients mit \cite[Tabelle~4]{SchaeferTurek96}}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\centering
\input{img/cylinder2d_deltap_comparison.tikz}
-\caption{Verlauf der Druckdifferenz verglichen mit \cite[Tabelle~4]{SchaeferTurek96}}
+\caption{Vergleich der Druckdifferenz mit \cite[Tabelle~4]{SchaeferTurek96}}
\end{figure}
\newpage
diff --git a/img/cylinder2d_drag_comparison.tikz b/img/cylinder2d_drag_comparison.tikz
index 7f4bbe8..238061d 100644
--- a/img/cylinder2d_drag_comparison.tikz
+++ b/img/cylinder2d_drag_comparison.tikz
@@ -12,9 +12,8 @@
domain=0:16,
xmin=0, xmax=16,
xlabel={Simulierte physikalische Zeit},
- ylabel={Widerstandskraft},
- x unit=s,
- y unit=N
+ ylabel={Widerstandskoeffizient},
+ x unit=s
]
\addplot[
diff --git a/img/cylinder2d_lift_comparison.tikz b/img/cylinder2d_lift_comparison.tikz
index 7a87607..2cb0570 100644
--- a/img/cylinder2d_lift_comparison.tikz
+++ b/img/cylinder2d_lift_comparison.tikz
@@ -12,9 +12,8 @@
domain=0:16,
xmin=0, xmax=16,
xlabel={Simulierte physikalische Zeit},
- ylabel={Auftriebskraft},
- x unit=s,
- y unit=N
+ ylabel={Auftriebskoeffizient},
+ x unit=s
]
\addplot[