Laminar Flow

Laminare (an der Zigarette) und turbulente (oben) Strömung am Beispiel des Rauchs einer Zigarette.

Die laminare Strömung (lat. lamina „Platte“) ist die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen, bei der keine Turbulenzen (Verwirbelungen/Querströmungen) auftreten. Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht vermischen. In diesem Fall handelt es sich (bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit) meistens um eine stationäre Strömung.

Eigenschaften

Laminare Strömung

Zur Darstellung des Unterschiedes zwischen laminarer Strömung und turbulenter Strömung hat der Physiker Osborne Reynolds im Jahr 1883 einen Färbeversuch einer Wasserströmung in einer Rohrleitung vorgenommen und festgestellt, dass sich die Verwirbelung in der Rohrleitung erst ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit einstellt. Als Beurteilungskriterium wird hierzu die Reynolds-Zahl Re angewandt. Diese ist wie folgt definiert:

${\mathrm {Re}} = {{{v \cdot l}} \over {\nu}} = \frac{v \cdot l \cdot \rho}{\mu}$,

wobei v der Betrag einer charakteristischen Strömungsgeschwindigkeit, l eine charakteristische Länge sowie ν die kinematische Viskosität bzw. μ (oder auch η) die dynamische Viskosität und ρ die Dichte des strömenden Fluids ist.

Ausbildung einer laminaren Grenzschicht an einer flachen Oberfläche. Re_x ist hier bei jedem x kleiner als Re_krit ≈ 10⁵. Die Plattenlänge x muss daher endlich sein.

Ab einem kritischen Wert Re_krit wird die laminare Strömung instabil gegenüber kleinen Störungen (Strömungsinstabilität). Dieser Wert liegt beispielsweise bei der Rohrströmung bei etwa

$\mathrm{Re_{krit}} = \frac{v_{\rm m} \cdot d}{\nu} \approx 2320$

wobei v_m die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist, und als charakteristischen Länge der Rohrleitungsdurchmesser d heranzuziehen ist. Bei überströmten Platten liegt die kritische Reynoldszahl bei

$\mathrm{Re_{krit}} = {{{v_0\cdot x}} \over {\nu}} \approx 10^5$.

Dabei ist x der Abstand von der Vorderkante der Platte und v₀ die Geschwindigkeit der ungestörten Anströmung.

Vorkommen in der Natur

Sind in der Umgebung Störungen vorhanden, was praktisch immer der Fall ist, so werden diese angefacht. Die geordnete Bewegung (Schichtströmung) geht somit schließlich in die ungeordnete turbulente Strömung über. Laminare Strömungen treten zum Beispiel im Grundwasser und im Blutkreislauf auf, sind bei technischen Anwendungen aber eher die Ausnahme, wobei man sich bereits auch bei der Mikroverfahrenstechnik dieses Phänomen zu Nutze macht.

Laminare Grenzschichten weisen meistens gegenüber turbulenten Grenzschichten eine deutlich geringere Wandreibung auf. Daher wird beispielsweise im Segelflugzeugbau auf sogenannte Laminarprofile zurückgegriffen, die formbedingt eine hohe laminare Lauflänge (der Abstand zwischen Vorderkante und dem laminar/turbulenten Umschlagspunkt) aufweisen, um geringe Strömungswiderstände zu erreichen. Diese Profile sind aber empfindlicher gegenüber Strömungsabriss. In turbulenter Strömung können sogenannte Riblets den Reibungswiderstand verringern.

Technische Anwendung

Strömungsprinzip „Laminarströmungs-Reinraum“

Im technischen Einsatz stößt man oft auf die englischsprachige Bezeichnung Laminar Flow. Darunter versteht man im Allgemeinen eine (meist vertikal) gerichtete, turbulenzarme Luftströmung (vgl. (Strömungsprinzipien in Reinräumen). Die Bezeichnung ist demnach irreführend, da es sich nicht um einen reine laminare Strömung handelt – eine erzeugte laminare Strömung verwirbelt an Hindernissen wie Maschinen oder Tischen!

Laminar-Flow-Verhältnisse werden mittels spezieller Anlagen erzeugt, die über Ventilatoren, Filter und Luftverteiler (sog. Laminarisator) verfügen. Der Raum, der von Laminar Flow durchströmt wird, besitzt eine definierte Reinraumqualität (abhängig von den eingesetzten Filtern), da nur sterile Luft im Raum verbleibt bzw. mögliche Partikel gerichtet weggeblasen werden.

In der Industrie finden turbulenzarme (quasi-laminare) Strömungen überall dort Anwendung, wo Verschmutzungen der Produkte durch in der Luft vorhandenen Partikel vermieden werden sollen. Dabei werden durch die Luftströmung Aufwirbelungen vorhandener Partikel reduziert und durch den nach unten geführten Luftstrom abgeleitet. Dies macht sie für Anwendung interessant, bei denen das erhöhte Risiko von Partikelbildungen (z. B. durch Reibung sich bewegender Teile) kompensiert werden muss, also z. B. bei der Abfüllung von Pharmazeutika. Typische Beispiel sind Reinräume in der Halbleitertechnologie oder der Medizin sowie der Pharmazie.

Eine wesentliche Neuerung der Apothekenbetriebsordnung 2005 ABO ist, dass die Herstellung steriler Arzneimittel – insbesondere Augentropfen oder parenteral zu verabreichender Arzneimittel im Labor unter Verwendung eines Laminar-Flows oder eines Isolators nach dem Stand der Wissenschaften und Technik erfolgen muss, sofern nicht die Herstellung in einem eigenen Sterilraum erfolgt.

Siehe auch

• Dimple (Golf)

Literatur

• Joseph H. Spurk, Nuri Aksel: Strömungslehre. Eine Einführung in die Theorie der Strömungen. 6. Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3540262938.