Fritz Reutter - Böcker

Ebene kompressible Strömungen in der Umgebung der Schallgeschwindigkeit, sog. transsonische Strömungen, sind von einer ganzen Reihe von Autoren be­ handelt worden. (Das Literaturverzeichnis enthält eine Auswahl aus der großen Zahl hierauf bezüglicher neuerer Arbeiten: [11], [12], [7], [27] bis [32], [26], [3], [10], [5], [8], [9], [21], [22], [33], [34)1. Es liegen auch bereits zusammenfassende Darstellungen vor ([6], [2)2, vgl. auch [13] und [20)). ) Doch handelt es sich um ein Problem von großem Schwierigkeitsgrad, und fast alle bisher vorliegenden Lösungen stellen nur Näherungslösungen dar bzw. sind nur zur Behandlung spezieller Aufgaben, z. B. Düsenströmungen, geeignet. Die im vorliegenden Bericht dargestellten Untersuchungen sollen einen weiteren Beitrag zur Behand­ lung solcher Aufgaben leisten. Ein Hauptziel aller Untersuchungen über trans­ sonische Strömungen ist die Entwicklung eines Rechenverfahrens, das die Be­ rechnung einer Strömung bei vorgegebenen Profilkanten unter einer parallelen Anströmung mit einer solchen Geschwindigkeit gestattet, daß ein Durchgang durch die Schallgeschwindigkeit zu erwarten ist. Diese Aufgabe führt auf ein Randwertproblem einer nichtlinearen partiellen Differentialgleichung zweiter Ordnung von gemischtem Typ. Wenn auch die Lösung solcher nichtlinearen Aufgaben unmittelbar in der Stromebene noch nicht allgemein möglich ist (vgl. hierzu jedoch [33)), so liegen doch Ansätze zur Behandlung in einer ge­ eigneten Bildebene vor. Durch die Transformation der Stromebene auf diese Bildebene wird der nichtlinearen Differentialgleichung eine lineare zugeordnet, wobei jedoch die zugeordnete Randwertaufgabe in eine solche mit freiem Rand übergeht. Eine solche Transformation ist von TRICOMI angegeben worden. Sie wird inI. 2 kurz dargestellt.

Die großen Fortschritte der technischen Entwicklung zwingen immer mehr dazu, bisher verwendete technische Berechnungsmethoden durch genauere mathematische Verfahren zu ersetzen. Das führt dazu, daß Funktionen, die bisher im wesentlichen von rein mathematischem Interesse waren, sehr an praktischer Bedeutung gewinnen. So sind z.B. in den letzten Jahren an der Technischen Hochschule in Aachen eine Reihe von Arbeiten über Einflußflächen von Platten polygonaler Berandung [1J entstanden, bei denen konforme Abbildungen mit Hilfe Jacobischer elliptischer Funktionen hergestellt werden mußten. Dieselben Funktionen treten u.a. auch auf bei der Berechnung elektrischer Filter und bei zahlreichen zweidimen­ sionalen Problemen der Elektrotechnik, der Strömungslehre und der Ela­ stizitätstheorie, die mit Hilfe der konformen Abbildung eines polygona­ len Bereiches auf die Halbebene oder den Einheitskreis behandelt werden. Die Berechnung der zur Konstruktion einer solchen konformen Abbildung benötigten zahlreichen Funktionswerte von elliptischen Funktionen eines komplexen Arguments führt aber auch bei Verwendung der bekannten Tafeln [2J der Jacobischen Funktionen eines reellen Arguments zu einem sehr großen, sich oft über Jahre erstreckenden Rechenaufwand, sofern man sich nicht eines elektronischen Rechenautomaten bedienen kann.

Der vorliegende Bericht knüpft an zwei frühere Berichte ([8] und [9] *) an. Während [9] der Anwendung des Digitalrechners zur Herstellung konformer Abbildungen ge­ widmet war, wird hier (Abschnitt 1) zunächst die Anwendung des Analogrechners zur Herstellung konformer Abbildungen behandelt. Die dafür geeigneten Schaltungen und die Frage nach deren Stabilität werden eingehend untersucht und auf eine größere Zahl von Beispielen angewandt; die Grenzen der Anwendungsmöglichkeit werden auf­ gezeigt. Sodann wird (Abschnitt 2) in teilweiser Anknüpfung an ein schon in [8] auf­ gegriffenes Problem - die ( ebene) U mströmung zweifach zusammenhängender Bereiche­ behandelt, und zwar zunächst an Hand der schon von LAGALLY [7] angegebenen kom­ plexen Potentialfunktion für die Umströmung zweier Kreise. Das im vorliegenden Bericht angewandte Verfahren gestattet es, die Abhängigkeit dieser Strömung von der relativen Lage und dem Radienverhältnis der beiden Kreise sowie der Zirkulation um diese durch Herstellung einer größeren Anzahl von Strömungsbildern mit erträglichem Aufwand zu untersuchen. Schließlich wird durch Anwendung eines in [9] behandelten numerischen Verfahrens mittels konformer Abbildung die Umströmung zweier Profile auf die Umströmung zweier Kreise zurückgeführt (Abschnitt 3). Einige Hilfsmittel zur Behandlung der in Abschnitt 2 benötigten höheren transzendenten Funktionen sind in Abschnitt 4 zu­ sammengestellt. 1. Anwendungsmöglichkeiten des Analogrechners bei der Herstellung konformer Abbildungen 1. 1 Kurze Zusammenstellung der in diesem Bericht verwendeten Operations­ und Schaltsymbole. Stabilitätsbetrachtungen Beim elektronischen Analogrechner werden die Rechengrößen durch mit der Zeit t veränderliche elektrische Spannungen U =u(t) dargestellt. Aus der Eingangsspannung ue(t) wird in einem geeigneten RechenelementF die Ausgangsspannung ua(t) = F(ue(t» gebildet.

In zwei früheren Forschungsberichten [13], [14] wurde über Untersuchungen über die nomographische Darstellung von Funktionen einer komplexen Ver­ änderlichen, insbesondere elliptischer Funktionen, sowie über die Darstellung von Systemen von zwei Funktionen zweier reeller Veränderlichen berichtet. Die Gegenstände des jetzt vorliegenden Berichtes stehen auf mehrfache Weise mit den damaligen Untersuchungen in Zusammenhang. In Kap. I werden, anknüpfend an die früher mitgeteilten Ergebnisse zur nomographischen Dar­ stellung von Funktionensystemen, theoretische Fragen der Nomographie, die seit langem ungeklärt waren, behandelt. Insbesondere lassen sich dabei auch Aussagen gewinnen, die das Eindeutigkeitsproblem der Nomographie betreffen. Die elektronische Berechnung der in [13], [16], [17] mitgeteilten Nomogramme gab Anlaß zu Überlegungen über eine möglichst zweckmäßige Berechnungs­ weise der Funktionswerte elliptischer Funktionen reeller Veränderlicher mit Hilfe eines elektronischen Rechengerätes. Eine solche Berechnungsweise wird in Kap. II für beliebige Werte des Moduls k 2 entwickelt. Da die Jacobischen elliptischen Funktionen eines komplexen Arguments auf Grund der Additionstheoreme gebrochen rational aus den Funktionen eines reellen Arguments aufgebaut sind, ermöglicht das in Kap. II dargelegte Berech­ nungsverfahren auch die Herstellung von Tafeln Jacobischer Funktionen eines komplexen Arguments. Die hierfür notwendigen Überlegungen werden in Kap. III mitgeteilt. Ein danach hergestelltes Tafelwerk steht Interessenten zur Verfügung. Um seinen Umfang möglichst klein zu halten und dennoch eine auf möglichst viele Stellen genaue Bestimmung der Funktionswerte zu garantieren, wurde mit verschiedenen Schrittweiten gearbeitet. Diese wurden sogewählt, daß bei linearer bzw.