Mit dieser Arbeit liegt eine ausführliche Studie zu den Integralverfahren der Grenzschichttheorie vor. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Dissipationsintegralverfahren. Im Vergleich zu anderen Grenzschichtverfahren bestehen die generellen Vorteile der Integralverfahren in ihrer Robustheit, ihrer hohen Praktikabilität sowie den im Sinne der aufzuwendenden Computerkapazität geringen Kosten. Ein spezieller Vorteil der Dissipationsintegralverfahren ist es zudem, das komplette Schubspannungsprofil der Grenzschicht zu berücksichtigen. Über eine entsprechende Ableitung der Dissipationsintegrale kann die Vorgeschichte der Grenzschicht erfassen werden. Ausgangspunkt der Arbeit ist eine Literaturanalyse, welche aufzeigt, dass Integralverfahren weit verbreitet sind und für vielfältige Typen von Grenzschichten Anwendung finden. Ausgehend von den Navier-Stokes-Gleichungen wird über die Grenzschichtgleichungen die allgemeine Form der Dissipationsintegralgleichungen hergeleitet. Auf der Basis dieser Gleichungen werden Berechnungsalgorithmen für zwei- und dreidimensionale Grenzschichten entworfen und ausführlich diskutiert. Die zur Komplettierung der Berechnungsalgorithmen benötigten Parameterzusammenhänge werden aus expliziten Geschwindigkeitsprofilen hergeleitet. Hierzu werden beruhend auf dem Zweischichtenmodell turbulenter Grenzschichten Geschwindigkeitsprofile turbulenter Grenzschichten diskutiert. Drei Kombinationen von Haupt- und Querströmungsprofil werden für den dreidimensionalen Fall ausgewählt und algorithmisch umgesetzt. Die Algorithmen für zweidimensionale Grenzschichten beruhen auf einem Geschwindigkeitsprofil. Dem Aufbau der Algorithmen schließen sich ausführliche Testrechnungen sowie eine Bewertung der Verfahren an. Es wird festgestellt, dass Dissipationsintegralverfahren für zwei- und dreidimensionale Grenzschichten mit gutem Erfolg angewandt werden können. Vergleiche der Rechenergebnisse für zweidimensionale Grenzschichten zeigen die zumindest Gleichwertigkeit mit Zweigleichungsmodellen an. / Calculation and prediction of turbulent boundary layers are among the most challenging tasks of present fluid mechanics. A strong demand exists for robust, easy-to-handle and in terms of computing effort cheap algorithms which can be used for technical applications. From an engineering point of view zonal methods and RANS are the most useful tools for solution of fluid mechanical problems. It is known that zonal methods which use integral approaches for the description of the boundary layer can be used successfully in manifold forms. One way to improve zonal methods further is the Basically three different types of integral algorithms - entrainment, momentum of momentum and dissipation integral method - can be derived from the three-dimensional boundary layer equations. If one compares the usual entrainment integral method with the dissipation integral method it turns out that the latter has the following physical advantages. While the entrainment method considers information about the shear stress distribution only at the outer edge of the boundary layer, the dissipation integral method uses the whole distribution. This work gives an overview over dissipation integral method and extends them to three-dimensional boundary layers. The general integral equations for the three-dimensional case are derived. Using two different sets of mean velocity profiles the hyperbolical character of a dissipation integral method is shown. Apart from the integral momentum balance, the dissipation integral method satisfies a second major balance with the integral balance of mechanical energy. It is found that for a practical calculation the integral momentum equation and the integral energy equation are most useful. Sixteen two-dimensional experimental test cases with none-zero pressure gradients were computed. It was found that the averaged relative deviation between measured and computed values for the skin friction coefficient is about 5 % and about 3 % for the shape parameter. Two three-dimensional fully turbulent boundary layers approaching an obstacle where computed. The agreement between experimental results and the calculation is reasonably good. The calculation allows the prediction of the velocity distributions. Flow angle and flow gradient angle distributions being additional results.

Mit dieser Arbeit liegt eine ausführliche Studie zu den Integralverfahren der Grenzschichttheorie vor. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Dissipationsintegralverfahren. Im Vergleich zu anderen Grenzschichtverfahren bestehen die generellen Vorteile der Integralverfahren in ihrer Robustheit, ihrer hohen Praktikabilität sowie den im Sinne der aufzuwendenden Computerkapazität geringen Kosten. Ein spezieller Vorteil der Dissipationsintegralverfahren ist es zudem, das komplette Schubspannungsprofil der Grenzschicht zu berücksichtigen. Über eine entsprechende Ableitung der Dissipationsintegrale kann die Vorgeschichte der Grenzschicht erfassen werden. Ausgangspunkt der Arbeit ist eine Literaturanalyse, welche aufzeigt, dass Integralverfahren weit verbreitet sind und für vielfältige Typen von Grenzschichten Anwendung finden. Ausgehend von den Navier-Stokes-Gleichungen wird über die Grenzschichtgleichungen die allgemeine Form der Dissipationsintegralgleichungen hergeleitet. Auf der Basis dieser Gleichungen werden Berechnungsalgorithmen für zwei- und dreidimensionale Grenzschichten entworfen und ausführlich diskutiert. Die zur Komplettierung der Berechnungsalgorithmen benötigten Parameterzusammenhänge werden aus expliziten Geschwindigkeitsprofilen hergeleitet. Hierzu werden beruhend auf dem Zweischichtenmodell turbulenter Grenzschichten Geschwindigkeitsprofile turbulenter Grenzschichten diskutiert. Drei Kombinationen von Haupt- und Querströmungsprofil werden für den dreidimensionalen Fall ausgewählt und algorithmisch umgesetzt. Die Algorithmen für zweidimensionale Grenzschichten beruhen auf einem Geschwindigkeitsprofil. Dem Aufbau der Algorithmen schließen sich ausführliche Testrechnungen sowie eine Bewertung der Verfahren an. Es wird festgestellt, dass Dissipationsintegralverfahren für zwei- und dreidimensionale Grenzschichten mit gutem Erfolg angewandt werden können. Vergleiche der Rechenergebnisse für zweidimensionale Grenzschichten zeigen die zumindest Gleichwertigkeit mit Zweigleichungsmodellen an. / Calculation and prediction of turbulent boundary layers are among the most challenging tasks of present fluid mechanics. A strong demand exists for robust, easy-to-handle and in terms of computing effort cheap algorithms which can be used for technical applications. From an engineering point of view zonal methods and RANS are the most useful tools for solution of fluid mechanical problems. It is known that zonal methods which use integral approaches for the description of the boundary layer can be used successfully in manifold forms. One way to improve zonal methods further is the Basically three different types of integral algorithms - entrainment, momentum of momentum and dissipation integral method - can be derived from the three-dimensional boundary layer equations. If one compares the usual entrainment integral method with the dissipation integral method it turns out that the latter has the following physical advantages. While the entrainment method considers information about the shear stress distribution only at the outer edge of the boundary layer, the dissipation integral method uses the whole distribution. This work gives an overview over dissipation integral method and extends them to three-dimensional boundary layers. The general integral equations for the three-dimensional case are derived. Using two different sets of mean velocity profiles the hyperbolical character of a dissipation integral method is shown. Apart from the integral momentum balance, the dissipation integral method satisfies a second major balance with the integral balance of mechanical energy. It is found that for a practical calculation the integral momentum equation and the integral energy equation are most useful. Sixteen two-dimensional experimental test cases with none-zero pressure gradients were computed. It was found that the averaged relative deviation between measured and computed values for the skin friction coefficient is about 5 % and about 3 % for the shape parameter. Two three-dimensional fully turbulent boundary layers approaching an obstacle where computed. The agreement between experimental results and the calculation is reasonably good. The calculation allows the prediction of the velocity distributions. Flow angle and flow gradient angle distributions being additional results.

Verweilzeitverteilungen werden zur Charakterisierung verfahrenstechnischer und speziell reaktionstechnischer Prozesse herangezogen. In dispersen Systemen existiert für jede Phase eine Verweilzeitverteilung, die sich stark voneinander unterscheiden können. Verweilzeitverteilungen werden häufig auf der Basis des Dispersionsmodells oder mittels einer Rührkesselkaskade beschrieben, wobei die Anpassung nicht immer gut ist. Deshalb werden zunächst halbempirische Gleichungen vorgestellt, die mittels charakteristischen Parametern (mittlere, minimale, maximale Verweilzeit; Exponent) eine flexible Nachbildung erlauben. Die Brauchbarkeit dieser Gleichungen wird für fluide und disperse Phase anhand der Nachrechnung veröffentlichter Verweilzeitverteilungskurven in unterschiedlichen Apparaten nachgewiesen, wobei auch ein Vergleich mit den Ergebnissen anderer Modelle erfolgt. Unter der Annahme einer stationären Sinkgeschwindigkeit gelingt für stark vereinfachte Fälle die Ableitung analytischer Ausdrücke für die Verweilzeitverteilung der dispersen Phase. Realere Fälle werden mit dem stochastischen Modell ZEMP (Zellenmodell mit Platzerwechselwahrscheinlichkeit), das um die Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit der Partikeln erweitert wurde, erfasst. Dadurch wird es möglich, den Einfluss des Dispersionskoeffizienten, der Zugabeart, des Geschwindigkeitsprofils und des Vorliegens von Eigenschaftsverteilungen auf die Verweilzeitverteilung separat auszuweisen. Für das sich entwickelnde Geschwindigkeitsprofil des laminar durchströmten Rohrs und Kanals werden Gleichungen aufgestellt, in die die Werte von Literaturen eingingen. Damit wird der Einfluss der Einlaufstrecke auf die sich ausbildende Verweilzeitverteilung ermittelt.

Verweilzeitverteilungen werden zur Charakterisierung verfahrenstechnischer und speziell reaktionstechnischer Prozesse herangezogen. In dispersen Systemen existiert für jede Phase eine Verweilzeitverteilung, die sich stark voneinander unterscheiden können. Verweilzeitverteilungen werden häufig auf der Basis des Dispersionsmodells oder mittels einer Rührkesselkaskade beschrieben, wobei die Anpassung nicht immer gut ist. Deshalb werden zunächst halbempirische Gleichungen vorgestellt, die mittels charakteristischen Parametern (mittlere, minimale, maximale Verweilzeit; Exponent) eine flexible Nachbildung erlauben. Die Brauchbarkeit dieser Gleichungen wird für fluide und disperse Phase anhand der Nachrechnung veröffentlichter Verweilzeitverteilungskurven in unterschiedlichen Apparaten nachgewiesen, wobei auch ein Vergleich mit den Ergebnissen anderer Modelle erfolgt. Unter der Annahme einer stationären Sinkgeschwindigkeit gelingt für stark vereinfachte Fälle die Ableitung analytischer Ausdrücke für die Verweilzeitverteilung der dispersen Phase. Realere Fälle werden mit dem stochastischen Modell ZEMP (Zellenmodell mit Platzerwechselwahrscheinlichkeit), das um die Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit der Partikeln erweitert wurde, erfasst. Dadurch wird es möglich, den Einfluss des Dispersionskoeffizienten, der Zugabeart, des Geschwindigkeitsprofils und des Vorliegens von Eigenschaftsverteilungen auf die Verweilzeitverteilung separat auszuweisen. Für das sich entwickelnde Geschwindigkeitsprofil des laminar durchströmten Rohrs und Kanals werden Gleichungen aufgestellt, in die die Werte von Literaturen eingingen. Damit wird der Einfluss der Einlaufstrecke auf die sich ausbildende Verweilzeitverteilung ermittelt.