In Woche 2 werden wir die Strömungen in Diffusoren und Düsen untersuchen. Sie sind allgemeine Darstellungen von divergierenden oder konvergierenden Querschnitten von Strömungswegen, die in vielen technischen Anwendungen vorkommen. Sowohl in Diffusoren als auch in Düsen kommt es zu Strömungsablösungen und Rezirkulationen, wenn die divergierenden/konvergierenden Winkel groß genug sind. In symmetrischen Diffusorgeometrien ist die Strömung oft asymmetrisch, und in Düsen kann eine Vena Contracta auftreten. Diese Phänomene und die Bewertung der Effizienz der Energieumwandlung sowie der Energieverluste werden erläutert. Die Auswirkungen geometrischer Details (Variation des Expansions-/Kontraktionswinkels, Abrundung der Ecken durch unterschiedliche Radien) und der Sog durch die Diffusorwände werden ebenfalls analysiert. Detaillierte Studien zur Gitterabhängigkeit der Lösungen werden durchgeführt und die Auswirkung der Diskretisierungsordnung für die Konvektionsströme wird analysiert.

In Woche 3 werden wir druck- oder turbulenzinduzierte Strömungen in anderen Richtungen als dem primären Strömungsweg untersuchen. Zunächst werden dreidimensionale druckinduzierte Sekundärströmungen in Kanal- oder Rohrbögen im Detail analysiert, gefolgt von der Analyse turbulenzinduzierter Sekundärströmungen in Kanälen mit nicht kreisförmigem Querschnitt. Die Physik hinter diesen Phänomenen wird beschrieben und die Möglichkeiten ihrer Simulation werden erläutert. Als nächstes werden Hufeisenwirbel- und Spitzenwirbelströmungen analysiert; auch sie sind generische Darstellungen von Strömungen, die in vielen praktischen Anwendungen mit Körperverbindungen und freien Spitzen auftreten. Die Strömungsphysik und die Berechnungsdetails (Entwurf eines optimalen Gitters und dessen lokale Verfeinerung, die Wahl der physikalischen Modelle und der Simulationsansatz) werden erläutert.

In Woche 4 werden wir die Strömungen um einen Kreiszylinder bei Reynoldszahlen zwischen 5 und 5 Millionen untersuchen. Der Kreiszylinder ist eine allgemeine Darstellung eines schlanken Körpers, der einer Querströmung ausgesetzt ist; solche Situationen sind in vielen praktischen Anwendungen zu finden. Je nach Reynoldszahl kann die Strömung schleichend, stetig oder instationär, laminar oder turbulent sein. Die Strömungsablösung und Rezirkulation kann viele verschiedene Formen annehmen, die zu Wirbelablösung (die von Karmansche Wirbelstraße), zum Übergang in Turbulenz im Nachstrom, in Scherschichten oder in Grenzschichten auf der Zylinderoberfläche führen. Sowohl die Widerstandskrisen an einem Zylinder bei der kritischen Reynoldszahl als auch der Magnus-Effekt an einem rotierenden Zylinder werden beschrieben. Verschiedene Techniken zur Simulation turbulenter Strömungen - direkte numerische Simulation, Large-Eddy-Simulation oder Lösung der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen unter Verwendung verschiedener Turbulenzmodelle - werden vorgestellt und es wird erklärt, welche Technik für welche Art von Strömung geeignet ist.

In Woche 5 werden wir uns mit der Wärmeübertragung beschäftigen, einschließlich der Wärmeleitung in Festkörpern, der natürlichen und erzwungenen Konvektion in Flüssigkeiten und der konjugierten Wärmeübertragung. Ich erkläre, wie die Wärme zwischen Kontinua an der Grenzfläche zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten übertragen wird, was bei laminaren und turbulenten Strömungen anders ist, welche Eigenschaften eines Rechengitters an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Festkörper wünschenswert sind und warum Prismenschichten an Wänden wichtig sind. Der Unterschied zwischen stabiler und instabiler Schichtung in Strömungen mit natürlicher Konvektion und die Wichtigkeit der Berücksichtigung der korrekten Abhängigkeit der Flüssigkeitseigenschaften von der Temperatur werden hervorgehoben. Schließlich wird erklärt, wie man die gleichzeitige Wärmeübertragung über mehrere durch feste Körper getrennte Strömungen optimal simuliert.