Strömungsform

Strömungsform
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Mit Strömungsformen werden in der Literatur unterschiedliche Ausprägungen von Strömungen hinsichtlich ihrer Turbulenz, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung und ihrem Gasanteil bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Strömungsformen in der Rohrströmung

Innerhalb eines Rohres lassen sich bezüglich der Reynolds-Zahl folgende Strömungsformen unterscheiden:

Strömungsformen in der Zweiphasenströmung

Abhängig von den Geschwindigkeits- und Massenstromverhältnissen der beiden Phasen einer Zweiphasenströmung stellen sich verschiedene charakteristische Verteilungen dieser Phasen über den Querschnitt des Strömungskanals ein, die man als Strömungsformen bezeichnet.

Innerhalb eines Rohrleitungssystems kommen meist verschiedene räumliche Anordnungen vor, die einen Einfluss auf das im Inneren der Rohrleitung strömende Medium haben, insbesondere wenn es sich um eine Zweiphasenströmung handelt. Es lassen sich folgende Strömungsrichtungen in der Zweiphasenströmung unterscheiden:

  • horizontal
  • vertikal

Phasenverteilungszustände

H. Brauer hat für die vorhandenen Strömungsrichtungen entsprechende allgemeingültige Phasenverteilungszustände dargestellt. In der Blasenströmung ist die Gasphase gleichmäßig in der kontinuierlichen Flüssigphase dispergiert. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Geschwindigkeit beider Phasen gleich ist (Schlupf = 1). Kommt es zu einer Erhöhung des Gasanteils, so wachsen immer mehr Blasen zusammen und bilden Gaskolben, man beobachtet eine Kolbenblasen- oder auch Kolbenströmung. Eine weitere Erhöhung des Gasanteils im horizontalen Rohr führt schließlich zur Schichtenströmung. Hierbei strömen Gas und Flüssigkeit getrennt nach ihrer Dichte geschichtet durch das Rohr, wobei kleine Blasen in der Flüssigphase vorkommen können. Im vertikalen Rohr wird diese Strömungsform nicht beobachtet. Dies gilt auch für die Wellen- und die Schwallströmung, bei denen der Gasstrom eine Schubspannung auf die Flüssigkeit überträgt, die bei Annahme eines bestimmten Wertes Wellen hervorruft. Ab einem gewissen Gasdurchsatz erreichen einzelne Wellenberge eine so große Höhe, dass sie als Schwall durch das Rohr geschoben werden. Die Pfropfenströmung wiederum kommt im vertikalen wie im horizontalen Rohr vor. Gaspfropfen schieben sich durch das Rohr, die Flüssigkeit umgibt sie und bedeckt die Rohrwand. Bei sehr hohen Gasdurchsätzen bildet sich eine Filmströmung, auch Ringströmung genannt, aus. Die Flüssigkeit bildet nur noch einen Film an der Rohrwand. Meist strömt das Gas schneller als die Flüssigkeit (Schlupf > 1). Den äußeren Grenzfall der Zweiphasenströmung stellt die Nebel- oder Sprühströmung dar. Die Flüssigkeitstropfen sind homogen in der Gasphase verteilt.

Vorhersage

Strömungsformen sind nicht eindeutig messbar, ihre Unterscheidungsmerkmale werden meist durch subjektive Beobachtung festgelegt. Für dasselbe Strömungsbild werden von verschiedenen Forschern unterschiedliche Definitionen angegeben. Mit Hilfe von Strömungsformenkarten lassen sich Vorhersagen über die zu erwartende Strömungsform in Abhängigkeit verschiedener Parameter machen.

Strömungsformen an umströmten Körpern

In Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl lassen sich beispielsweise bei der Umströmung eines Kreiszylinders unterschiedliche Strömungsformen beobachten. So ergibt sich bei einer schleichenden Strömung (Re -> 0) eine Strömungsform ohne Strömungsablösung. Erhöht man die Re-Zahl auf einen Wert zwischen 3 und 40 so lässt sich eine symmetrische Ablösung mit einem Wirbelpaar im Nachlauf beobachten. Dies lässt sich bis zu einer Kármánschen Wirbelstraße mit instabilem Nachlauf steigern (80 < Re < 300). Es folgen der unterkritische (150 < Re < 130000), kritische (100000 < Re < 3500000) und überkritische Bereich (3500000 < Re) mit steigender Turbulenz im Nachlauf.

Literatur

  • H. Brauer, Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmung, 1971.
  • Peter von Böckh, Fluidmechanik Einführendes Lehrbuch, Springer

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