Εσωτερικές και εξωτερικές ροές

Abstract

In the present dissertation a numerical technique is developed on the solution of ordinary and/or partial differential equations of second order with variable coefficients. In particular, in the first chapter we make a general introduction to the discretisation methods and to the methods of solution of a linear system of algebraic equations. In the second chapter the method of Allen and Southwell on the solution of the vorticity equation in two dimensional flow is presented as well as its modification and improvement by Dennis. The contribution of the present work is on the further improvement of the previous method, such that the matrix of the coefficients of the unknowns becomes diagonally dominant and its extension to three dimensional problems. The consecutive steps of the method (Linearized Finite Difference Method, LFDM) are worked out on the ordinary differential equation with variable coefficients. Next, the method is applied to the solution of two problems from Fluid Mechanics. In the third chapter the improved method is extended to three dimensions with variable coefficients. Accordingly the method is applied to the solution of the equations of motion of a perfect fluid moving in a straight tube. In the fourth chapter the present method is generalized with variable coefficients. In the fifth chapter the three dimensional equation of the vorticity expressed in cylindrical coordinates is solved and the results are applied to the von Karman problem. Finally, in the sixth chapter we use this method to simulate Taylor vortices in spherical annular flow in the presence of heat, the motion of the fluid being induced by the differential rotation of two spheres about their common diameter.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται η γραμμικοποιημένη μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών. Η μέθοδος αυτή αποτελεί νέα αριθμητική τεχνική επιλύσεως των διαφορικών εξισώσεων δευτέρας τάξεως, κανονικών και με μερικές παραγώγους και εφαρμόζεται σε εσωτερικές και εξωτερικές ροές. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στις μεθόδους διακριτοποιήσεως μιας διαφορικής εξισώσεως και στον τρόπο επίλυσης ενός γραμμικού συστήματος αλγεβρικών εξισώσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο εκτίθεται η μέθοδος των Allen και Southwell για τη λύση της εξισώσεως της στροβιλότητας προκειμένου περί δισδιάστατης ροής και η τροποποίηση και βελτίωση της μεθόδου από τον Dennis. Εν συνεχεία περιγράφεται η περαιτέρω βελτίωση της μεθόδου, διά της οποίας ο πίνακας του συστήματος των συντελεστών των αγνώστων καθίσταται διαγωνίως υπέρτερος. Στο τρίτο κεφάλαιο η βελτιωμένη μέθοδος επεκτείνεται στις τρεις διαστάσεις με μεταβλητούς συντελεστές και εφαρμόζεται στην λύση αντιστοίχου προβλήματος ροής ιδανικού ρευστού εντός σωλήνα. Στο τέταρτο κεφάλαιο η παρούσα μέθοδος γενικεύεται μεταβλητούς συντελεστές. Στο πέμπτο κεφάλαιο επιλύεται η εξίσωση της στροβιλότητας στις τρεις διαστάσεις σε σύστημα κυλινδρικών συντεταγμένων και ο αλγόριθμος εφαρμόζεται στο πρόβλημα του von Karman. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο εξετάζεται η περίπτωση της αριθμητικής εξομοίωσης στροβίλων Taylor προκειμένου περί ροής ιξώδους ρευστού, το οποίο περιέχεται εντός σφαιρικού κελύφους, η δε κίνηση του ρευστού προκαλείται από την διαφορική περιστροφή των δύο σφαιρών γύρω από την κοινή διάμετρό τους.