Strömungsphysik

Die Strömungslehre oder auch Strömungsmechanik oder Fluidmechanik ist die Lehre des physikalischen Verhaltens von Fluiden. Unter dem Begriff Fluid versteht man Medien, welche sich unter dem Einfluss von Scherspannungen unbegrenzt verformen (Flüssigkeiten oder Gase).

Sie ist weiterhin ein Teil des theoretischen Maschinenbaus, sie findet ihre Grundlagen in der Kontinuumsmechanik, also der klassischen Physik.

Teilgebiete

Die Strömungslehre wird in mehrere Fachgebiete unterteilt, die sich mit verschiedenen Teilaspekten von Fluiden auseinandersetzen:

• Fluidstatik ist die Lehre von (annähernd) ruhenden Fluiden
  • Aerostatik hingegen betrachtet:
    • die Schichtung der ruhenden Atmosphäre bzw. Erdatmosphäre.
  • Hydrostatik beschäftigt sich mit:
    • der Druckverteilung in ruhenden Flüssigkeiten,
    • den Kräften auf Behälterwänden,
    • der Ausbildung freier Oberflächen,
    • dem hydrostatischen Auftrieb und
    • der Schwimmstabilität von Körpern.

• Fluiddynamik ist die Lehre von bewegten Fluiden
  • Aerodynamik betrachtet speziell das Verhalten von Körpern in Gasen, zum Beispiel in der Luft der Atmosphäre
  • Hydrodynamik (wird auch teilweise als Überbegriff im Sinne von Fluiddynamik verwendet)
  • Magnetohydrodynamik berücksichtigt die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Flüssigkeiten, Gasen und Plasmen und untersucht zusätzlich:
    • die Bewegung unter Wirkung der vom Medium selbst erzeugten Felder,
    • die Bewegung in äußeren Feldern.

Verschiedene Strömungsarten als Rauchfadenbilder

Beschreibung der Strömung

Innerhalb der Fluiddynamik werden Anwendungsfälle anhand von zahlreichen Kennzahlen beschrieben, die verschiedene Aspekte der Fluide abbilden. Diese Eigenschaften sind im Folgenden aufgeführt:

• Verhalten des Fluids
  • inkompressible Strömungen
  • kompressible Strömungen werden in der Gasdynamik ausführlich behandelt
    • die Prandtl-Meyer-Strömungen
    • die Charakteristikentheorie
    • das Phänomen der Verdichtungsstöße und die Interaktionen mehrerer Stöße oder Prandtl-Meyer-Strömungen
• Strömungsart
  • instationäre Strömung
  • stationäre Strömung
• Strömungsform
  • laminare Strömung
  • turbulente Strömung
• Art des Fluids
  • reibungsfreie Strömungen und
  • viskose Strömungen
• Art des Leiters
  • Strömungen in Rohrleitungen
  • Strömungen in offenen Gerinnen
  • Sickerströmung

Nach diesen Eigenschaften und dem konkreten Anwendungsfall werden unterschiedliche Berechnungswege in der Fluiddynamik herangezogen, um eine Strömung zu beschreiben:

• die Potentialströmungen und
• die Wirbelströmungen (Strömungsinstabilitäten)

• die Stromfadentheorie und
• die Rohrströmung

• die Grenzschichtströmung,
• die Ähnlichkeitstheorie,
• die Mehrphasenströmung: Im Bereich der Mehrphasenströmung werden Strömungen untersucht, welche Anteile aus Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern (z. B. Staub) besitzen können. Aufgrund von Wechselwirkungen der Phasen untereinander (z. B. Schlupf, Phasenübergänge) ist eine Berechnung der physikalischen Größen der Mehrphasenströmung meistens nur näherungsweise möglich. Es wird unterschieden zwischen:
  • Separierten Strömungen
  • Dispersen Mehrphasenströmungen

Mathematische Modelle und Beschreibung der Phänomene

Strömungsvorgänge von Fluiden werden durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben, die sich aus partiellen Differentialgleichungen zusammensetzen und im Allgemeinen jedoch nur für spezielle Randbedingungen oder numerisch lösbar sind. Sie enthalten die strömungsbeschreibenden Variablen Geschwindigkeit $\vec{v}=(v_x,v_y,v_z)$, Druck p, Dichte ρ und Viskosität η als Funktion von Ort (x,y,z) und Zeit t. Die Bestimmung dieser Größen geschieht alternativ mit den Erhaltungssätzen für Masse, Impuls und Energie, im allgemeinsten Fall einer thermischen Zustandsgleichung f(ρ,p,T) (wobei dann auch noch die Temperatur T betrachtet werden muss), sowie einem Materialgesetz des Strömungsmediums.

Anwendungsbereich

Anwendungen trifft man unter anderem in den Bereichen:

• Luft- und Raumfahrt
• Automobilindustrie
• Bootsbau
• Maschinenbau
• Energietechnik
• Verfahrenstechnik
• Chemieindustrie
• Meteorologie
• Geophysik
• Astrophysik
• Gebäudeaerodynamik
• Versorgungstechnik
• Wasserbau

Literatur

• Bollrich, Gerhard (2007): Technische Hydromechanik 1 - Grundlagen, Verlag Bauwesen, ISBN 3-345-00912-9
• Dillmann, Andreas (2005): Karl Wieghardt: Theoretische Strömungslehre, Universitätsverlag Göttingen, 237 S., ISBN 3-938616-33-4
• G.K. Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge University Press 1967, ISBN 0-521-04118-X
• E. Guyon, J.-P. Hulin, L. Petit: Hydrodynamik, Vieweg 1994, ISBN 3-528-07276-8
• Lew Dawidowitsch Landau, Jewgeni Michailowitsch Lifschitz: Lehrbuch der theoretischen Physik VI: Hydrodynamik, Berlin 1991, ISBN 3-05-500063-3
• H. Oertel (Hrg.): Prandtl-Führer durch die Strömungslehre. Grundlagen und Phänomene, Vieweg 2002 (11. Aufl), ISBN 3-528-48209-5
• Wolfgang Schröder: Fluidmechanik, Aachen 2004, Wissenschaftsverlag Mainz in Aachen, ISBN 3-86130-371-X
• Jann Strybny: Ohne Panik Strömungsmechanik, Vieweg 2005, 2. Auflage, ISBN 3-528-13194-2

Weblinks

Siehe auch

• Numerische Strömungsmechanik
• Strömungsmesstechnik
• Fluidik
• Düse
• Glyphensonde
• Rauchring
• Geschwindigkeitsfeld