K. Oswatitsch - Gas Dynamics (ger)

GASDYNAMIKVONDR. KLAUS OSWATITSCHDOZENT AN DER KONIGL. TECHNISCHEN HOCHSCHULE IN STOCKHOLM,FROHERER WISSENSCHAFTLICHER MITARBEITER AM KAISER-WILHELM(MAX-PLANCK-) INSTITUT FOR STROMUNGSFORSCHUNG IN GOTTINGENMIT 300 TEXTABBILDUNGEN UND 3 TAFELNSPRINGER-VERLAG WIEN GMBHISBN 978-3-7091-3503-7ISBN 978-3-7091-3502-0 (eBook)DOI 10.1007/978-3-7091-3502-0ALLE RECHTE, IN SBESONDERE DAS DER "OBERSETZUNGIN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTENCOPYRIGHT 1952 BY SPRINGER-VERLAG WIENURSPRtJNGUCH ERSCHIENEN BEI SPRINGER-VERLAG IN VIENNA 1952SOFTCOVER REPRlNT OF THE HARDCOVER lST EDiTION 1952Geleitwort.Auf Wunsch von Herrn Dr.

OSWATITSCH, der nahezu acht Jahre mein Mitarbeiter am Kaiser-Wilhelm-Institut fur Stromungsforschung war, gebe ichgerne seinem Buch tiber Gasdynamik die folgenden Zeilen als Geleitwort mit:Ais ich selbst im Jahre 1904 meine Gottinger Tatigkeit begann, gab es bereitsAnfange dieser Wissenschaft. Der Name Gasdynamik war allerdings noch nichterfunden. Uber ihren Zustand im Jahre 1905 unterrichtet mein Beitrag V 5 bzum Physikband der "Enzyklopadie der mathematischen Wissenschaften"; ertragt den Titel "Uber die stromende Bewegung der Gase und Dampfe".

Vondem, was man heutzutage Gasdynamik nennt, ist dort noch sehr wenig zu finden.Es gab altere Ausfuhrungen hieruber in GRASHOF, Theoretische Maschinenlehre(1875) und ZEUNER, Technische Thermodynamik (1900), beide vorzugliche klareLehrbucher, die unter anderem auch die stromende Bewegung der Gase behandelten, und es gab vor allem das beriihmte Dampfturbinenbuch von STODOLA,wovon die 3. Auflage 1905 erschie.nen war. Die Stodolaschen Forschungen warenauf diesem damals vollig neuen Gebiet fuhrend gewesen. Von fruher her existierten Betrachtungen uber den AusfluB von Druckluft, Dampf und dergleichenunter groBen Druckunterschieden, es existierten aber auch eine Reihe von Ammenmarchen, so z. B. dieses, daB die AusfluBgeschwindigkeit von Gasen und Dampfenniemals die Schallgeschwindigkeit dieser Stoffe uberschreiten konne.

Dieses,obwohl Energiebetrachtungen zeigten, daB wesentlich groBere Geschwindigkeitenmoglich waren. Das Marchen von der Schallgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit leitete sich davon her, daB Schlierenbilder von diesen Strahlen Wellenvorgange zeigten und daraus geschlossen wurde, daB dies Schallwellen seinmliBten. Das war die erste Sache, die mich selbst zu einer theoretischen Untersuchung angereizt hat, und ich konnte auch zeigen, daB es Wellen, und zwarsolche mit Querschwingungen, gibt, die bei hoheren Geschwindigkeiten alsSchallgeschwindigkeit als stationare Stromungsformen bestehen konnen.

Dieseund auch andere Fragen lockten mich selbst damals, das fragliche Gebiet durchzuarbeiten, und ich habe deshalb auch gerne Herrn SOMMERFELD auf seineBitte zugestimmt, den oben erwahnten Artikel fur die Enzyklopadie zu schreiben.Diese Enzyklopadie hatte sich die Aufgabe gestellt, die Literatur der letztenhundert Jahre auf dem jeweiIigen Einzelgebiet historisch darzustellen. In demFaIle meines Artikels, der mit 1905 abschlieBt, war allerdings der veroffentlichteText im wesentlichen nur ein Nachweis, wie wenig auf dies em Gebiet bis dahinvorhanden war.

Meine Resultate von den letzten paar Jahren gehorten jedochauch schon zum eigentlichen Thema, aber alles dieses ist ungeheuer wenig gegenuber dem, was jetzt, also viereinhalb Jahrzehnte spater, vorhanden ist. Seitdemnamlich die hohen Geschwindigkeiten nicht nur in Druckluft und Dampf erreichtwerden, sondern auch die Flugzeuge immer schneller wurden, hat man sich mit-IVGeleitwort.den Korpergeschwindigkeiten der Schallgeschwindigkeit langsam immer mehrgenahert und hat sie heutzutage auch schon uberschritten. Dnd daneben gabes das ganze Gebiet der Ballistik, das allerdings in j ener Zeit noch keine Theoretikeraufzuweisen hatte, von denen man in einer mathematischen Enzyklopadie zuberichten gehabt hatte.

Durch die modernen Raketengeschosse, die den Flugzeugen den Rang bezuglich der Hochstgeschwindigkeiten langst abgelaufenhaben, bei denen aber die fur die Flugtechnik entwickelten Stromungsgesetzeebenfalls angewandt werden, flieBen die Theorien der beiden Anwendungsgebiete vollig in eins zusammen, so daB sich heute ein uberaus stattliches Wissenschaftsgebiet prasentiert, das sozusagen nach Lehrbuchern schreit.Der Autor des gegenwartigen Buches ist gerade in der Zeit, in der die modernenEntwicklungen im vollen Flusse waren, zu uns nach Gottingen gekommen undhat nicht ganz acht Jahre hier mitgearbeitet. Dank seiner guten physikalischen(und auch angewandt physikalischen) AusbiIdung hat er sich uberraschendschnell in das ihm vorher fremde Gebiet eingearbeitet und trat bald mit eigenenldeen und eigenen Arbeiten hervor, wobei sich der Kreis der Probleme, die erselbstandig bearbeitete, immer mehr erweitert hat.Nach KriegsschluB horten die hiesigen Forschungen nach dem Gebot derSieger vollig auf.

In dieser Zeit hat er zuerst an dem groBen Monographienwerkmitgearbeitet, das die deutschen Forschungsergebnisse auf allen Gebieten derkriegswichtigen Stromungslehre fur das britische Military Government zusammenfassend dargestellt hat. Nach Beendigung dieser Arbeit im Sommer 1946 folgteer nacheinander Einladungen englischer und franzosischer Forschungsinstitute,fur die er bis zu seiner Ubersiedlung nach Schweden tatig war. Auch hier trafer mit anderen Gasdynamikern zusammen und konnte seinen Gesichtskreisauch auf deren Arbeitsgebieten noch erweitern.lch mochte noch besonders betonen, daB in vorliegendem Buch nicht nurdas in einem halben Jahrhundert angesammelte Wissen zur Darstellung kommt,sondern daB darin auch eine ganze Reihe von eigenen selbstandigen Beitragensowahl aus seiner Gottinger Tatigkeit wie aus der nachfalgenden Zeit enthaltenist, die sich den ubrigen wurdig einreihen.Gottingen, im Sommer 1951.L.PRANDTL.Vorwort.Die Gasdynamik stellt als Lehre von den Stromungen zusammendruckbarerMedien die allgemeinste Form der Stromungslehre dar.

Sie enthalt die Hydrodynamik der inkompressiblen Flussigkeiten als Spezialfall. Das gilt insbesondereauch fUr die lntegralsatze und Differentialgleichungen und die daraus folgendenallgemeinen Satze, wie jene der mechanischen Ahnlichkeit, die BernoullischeGleichung, die Wirbelsatze usw.Die ersten gasdynamischen Arbeiten, welche auch heute noch Bedeutungbesitzen, fallen in das 19. Jahrhundert. Den Anfang machten wohl ST. VENANTund W ANTZELII,5 (= Literaturverzeichnis des II.

Teiles, Zitat 5) mit einer imJahre 1839 veroffentlichten Arbeit uber das Ausstromen von Gasen bei starkenDruckunterschieden. 1m Jahre 1860 veroffentlichte RIEMANNIII ,l seine bedeutende Arbeit uber die Forlpflanzung der Luftwellen endlicher Amplitude. Diegrundlegenden Arbeiten uber VerdichtungsstoBe stammen von RANKINE II,6(1870) und von HUGONIOTII ,7 (1887 bis 1889).

Gleichzeitig mit letzterem veroffentlichte E. MACHVI,20 seine Beobachtungen von Stromungswellen an Projektilen, welche schneller als der Schall fliegen. Aus dieser Zeit stammt auch diewichtige potentialtheoretische Arbeit von MOLENBROEKVI,9. Ebenfalls im vorigenJahrhundert behandelt P. VIEILLEIII,2S den Ausgleich eines Drucksprunges ineinem Rohr. Die beruhmte Arbeit von TSCHAPLIGINvI,l1 uber Gasstromungenfallt schon in dieses Jahrhundert (1904). Unter PRANDTL setzte nun in Gottingeneine systematische Bearbeitung der Gasdynamik ein. Am bekanntesten aus derersten Zeit wurde die Dissertation von MEYERVIJI,52 (1908). Nach dem erstenWeltkrieg nahm das Interesse am Gesamtgebiet auBerordentlich zu und hatgegenwartig einen Umfang angenommen, welcher kaum mehr die Berucksichtigungaller Veroffentlichungen ermoglicht.In diesem Buch solI das stromende Medium ausschlieBlich als Kontinuumbehandelt werden; Betrachtungen, welche in das Gebiet der kinetischen Gastheorie fallen, bleiben fort.

Dennoch ist der Stoff noch ungeheuer groB, denndie Dynamik eines Kontinuums umfaBt nicht nur die Stromungen in Maschinenund urn fliegende Korper aller Art, mit und ohne Warmezufuhr, sondern auchdie gesamte Akustik und Meteorologie. Es sind daher weitere Einschrankungenerforderlich. NaturgemaB ist die Gasdynamik von den verwandten Gebietennicht scharf abgrenzbar. Die Grenze zur Meteorologie ist in diesem Buch dadurch gezogen, daB der EinfluB der Schwerkraft nur wenig und der EinfluB derCorioliskrafte gar nicht berucksichtigt wird. Die Akustik unterscheidet sichschon von der Gasdynamik durch die Fragestellungen.

Bei der Behandlungder Ausbreitung von Wellen endlicher Amplitude ergibt sich aber der AnschluBan die Ausbreitung von Schallwellen. Ferner erweist sich der Problemkreis desFlugelflatterns kleiner Amplitude als ein zwischen Gasdynamik und AkustikVIVorwort.liegendes Forschungsgebiet, das hier nur bei der Behandlung der Ahnlichkeitsgesetze und der instationaren, raumlichen Vorgange beruhrt wird.

Obwohl dieWarmezufuhr in ein Stromungsfeld zu vielen interessanten Fragen flihrt, wirdsie nur in einfachen Aufgaben berucksichtigt. Insbesondere werden Grenzschichtstromungen ausschlieBlich ohne Warmezufuhr behandelt, da die Fragendes Warmeuberganges gesonderte Monographien beanspruchen. Den allgemeinenAussagen wird moglichst ein beliebiges, physikalisch homogenes (gleichbleibendeMischung seiner Bestandteile) Medium zugrunde gelegt, wahrend die speziellenBeispiele meist ideale Gase konstanter spezifischer Warme voraussetzen.Die typischen Probleme der Gasdynamik sind jene erheblicher Dichteanderung.Dabei lassen sich im wesentlichen zwei Ursachen fur starke Dichteanderungenangeben.