Molekulare Gasdynamik
Einführung in die kinetische Theorie der Gase und Lattice-Boltzmann-Methoden
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Die Grundlage dieses Lehrbuches bildet die langjährige Lehr- und Forschungserfahrung des Autors auf dem Gebiet der Strömungsmechanik. Die kinetische Theorie der molekularen Gasdynamik basiert auf der Annahme diskreter Moleküle eines Gases, die jedoch auf Grund ihrer extremen Anzahl nur statistisch über eine molekulare Geschwindigkeitsverteilungsfunktion beschrieben werden können. Ist diese bekannt, können daraus alle strömungsrelevanten, makroskopischen Größen ermittelt werden. Ausgehend von einfachsten Ansätzen für diese Funktion, über den Gleichgewichtsansatz nach Maxwell bis zur Boltzmann-Gleichung werden phänomenologische Ansätze aus Strömungsmechanik und Thermodynamik ohne mathematische Überfrachtung hergeleitet und interpretiert. Beispiele hierzu reichen von der Herleitung von Zustandsgleichungen, von Transportkoeffizienten bis zum Arrhenius-Gesetz chemischer Reaktionskinetik. Die Boltzmann-Gleichung schließt die bekannten Gleichungen der Strömungsmechanik, z.B. der Navier-Stokes-Gleichungen, mit ein und erweitert die mathematische Beschreibung auf Strömungen stark verdünnter Gase z.B. in der Vakuumstechnik und der Raumfahrt. Wichtige Lösungsansätze und Näherungen dieser Gleichung werden diskutiert. Die Aktualität des behandelten Stoffes wird in der abschließenden Darstellung der Lattice-Boltzmann-Methode, die sich in den letzten Jahren zu einem effizienten Verfahren der Strömungssimulation entwickelt hat, unterstrichen. Dieses Buch gibt trotz der Komplexität der Materie eine verständliche Einführung in die molekulare Gasdynamik, zeigt aber auch aktuelle Trends. Es eignet sich deshalb zum Einem als Begleitbuch zu entsprechenden Vorlesungen in den Ingenieur- und Naturwissenschaften und liefert zum Anderen wichtige Grundlagen in relevanten Gebieten der Verfahrens-, Vakuum- oder Luft- und Raumfahrttechnik.
Die kinetische Theorie beschreibt Eigenschaften eines Gases bei der mikroskopischen Bewegung von Atomen und Molekülen, woraus alle strömungsrelevanten, makroskopischen Größen ermittelt werden können. Sie ermöglicht ein tieferes Verständnis für die Ansätze der Kontinuumsmechanik und bietet die einzige Möglichkeit, Phänomene bei stärkeren Abweichungen vom thermodynamischen Gleichgewicht zu erklären und quantitativ zu bestimmen. Dieses Buch bietet eine verständliche und gut gegliederte Einführung in die molekulare Gasdynamik, es zeigt Lösungsmöglichkeiten und Anwendungen aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht. Ausgehend von einfachsten mikroskopischen Modellen über die Gleichgewichtsverteilung nach Maxwell bis hin zur Boltzmann-Gleichung, werden klassische Ansätze aus Strömungsmechanik und Thermodynamik hergeleitet und interpretiert. Daneben zeigt das Buch aktuelle Trends, z.B. in der numerischen Methodenentwicklung. Wichtige gaskinetische Simulationsverfahren werden vorgestellt,allen voran die Lattice-Boltzmann-Methoden, die als neue und effiziente Verfahren in der numerischen Strömungsmechanik breite Verwendung finden. Das Buch eignet sich als Lehrbuch in den Ingenieur- und Naturwissenschaften und dient den Ingenieuren in Luft- und Raumfahrt und in der Verfahrenstechnik als wichtige Grundlage. Der Autor ist Professor an der Universität Duisburg-Essen und hat langjährige Lehr- und Forschungserfahrung auf dem Gebiet der Strömungsmechanik.
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