Strömungen

Grundsätzliche Untergliederung:

stationäre vs. instationäre / transiente Strömungen
laminare vs. turbulente Strömungen
freie vs. erzwungene Strömungen
inkompressible vs. kompressible Strömungen
reibungsbehaftete vs. reibungsfreie Strömungen
1-dimensionale vs. n-dimensionale Strömungen
u.a.

Stationäre Strömung

liegt vor, wenn die örtliche Strömungsgeschwindigkeit U (x,y,z,t) und die Querschnittsfläche der Strömung (und somit auch der Durchfluss) keiner zeitlichen Änderung unterliegen, d.h. die Geschwindigkeit bleibt über die Zeit hinweg konstant.
Zwischen verschiedenen Orten können Strömungsgeschwindigkeit und Querschnittsfläche durchaus variieren. In diesem Fall lässt sich das System durch ein Geschwindigkeitsfeld beschreiben.
In stationärer Strömung sind Bahn- und Stromlinien gleich; nur dann bewegen sich die Teilchen auf den zeitlich gleichbleibenden Stromlinien wie auf festen Gleisen
Eine Strömung ist stationär, wenn die Geschwindigkeitsvektoren überall im Strömungsfeld hinsichtlich Betrag und Richtung zeitlich konstant, d.h. zeitunabhängig sind.

Turbulente Strömung

Bewegung von Fluiden, bei der Verwirbelungen in einem weiten Bereich von Größenskalen auftreten. Diese Strömungsform ist gekennzeichnet durch ein 3D-Strömungsfeld mit einer zeitlich und räumlich scheinbar zufällig variierenden Komponente.
Turbulenz führt zu verstärkter Durchmischung und infolge zu effektiv erhöhten Diffusionskoeffizienten.
Bei großräumiger Turbulenz ist der Beitrag der molekularen Diffusion vernachlässigbar. Die Vermischung betrifft auch die innere Energie (Wärmetransport) und den Impuls.
Der Druckverlust eines durch ein Rohr strömenden Fluids beruht auf der Diffusion des Impulses zur Rohrwandung und ist bei turbulenter Strömung größer als bei laminarer Strömung. Die Verwirbelung entsteht durch den Geschwindigkeitsunterschied der Strömung in Rohrmitte gegenüber der Strömung nahe der Wandung. Mit steigendem Durchfluss nimmt die Intensität der Turbulenz zu und der Druckverlust erhöht sich annähernd quadratisch.
Turbulenz ist keine Eigenschaft des Fluids, sondern eine Eigenschaft der Strömung, was eine eindeutige Definition erschwert. Tennekes & Lumley (1972) und Lesieur (1997) fassen die bedeutendsten Charakteristika turbulenter Strömungen zusammen:
- sind örtlichen und zeitlichen Schwankungen unterworfen.
- können organisierte Formen aufweisen, die 3D- oder quasi-2D Strukturen haben und unvorhersehbar sind.
- weisen ein schnelles Durchmischungsverhalten auf.
- sind durch eine große Anzahl auftretender Skalen charakterisiert.
- sind rotationsbehaftet.
- haben hohe REYNOLDS-Zahlen, typischerweise > 5×10e5 ; somit dominieren die Trägheitskräfte gegenüber den viskosen Kräften.
- Mathematisch können turbulente Strömungen beschrieben werden mit
  - den Erhaltungsgleichungen für Masse und Impuls,
  - der Kontinuitätsgleichung und
  - den NAVIER-STOKES-Gleichungen.
  - Turbulenzmodelle wie k-ε, k-ω, RMS usw.

Laminare Strömung

eine Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen, bei der in einem sich senkrecht zur Strömungsrichtung ausbreitenden
Übergangsgebiet zwischen zwei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten (Hydrodynamische Grenzschicht) keine sichtbaren Turbulenzen (Verwirbelungen/Querströmungen) auftreten: Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht miteinander vermischen. In diesem Fall handelt es sich (bei zeitlich konstanter Strömungsgeschwindigkeit) meistens um eine stationäre Strömung.
Umgangssprachlich wird gelegentlich auch eine Strömung, die dem Verlauf einer Wand oder eines Profils folgt, als laminare Strömung bezeichnet. Fachsprachlich handelt es sich bei diesem Phänomen jedoch um eine ausgebildete oder anliegende Strömung.

Transiente Strömungen

Begriff bezieht sich auf zeitabhängige Strömungs- und/oder Wärmeübertragungsanalysen.
Für transiente Analysen müssen Anfangsbedingungen und häufig zeitabhängige Randbedingungen vorgegeben werden.
Transiente Strömungen nähern sich dem stationären Fall an
Transiente Phänomene: Aufheizung, Abkühlung, Anfahrvorgänge, Eisbildung, Einschwingvorgänge, etc.
Beschreibt die Entwicklung der Strömung von dem Ausgangszustand mit vorgegebenen Randbedingungen hin zu einem ausgeprägten stationären Zustand

Instationäre Strömung

Die Strömung eines Fluids ist instationär, wenn dessen Strömungsgrößen wie Geschwindigkeit und Druck nicht nur von den Koordinaten des zur Beschreibung des Strömungsfeldes verwendeten Koordinatensystems, sondern auch von der Zeit abhängig sind.
Bei instationären Strömungen ändern sich die Strömungsgeschwindigkeiten im Zeitverlauf.
Arten instationärer Strömungen:
- Stochastisch unregelmäßige Vorgänge wie bei turbulenten Schwankungen.
- Anlauf- oder Auslaufvorgänge wie beim Anfahren oder Abschalten einer Kreiselpumpe.
- Periodische Vorgänge wie bei Pulsationen, z. B. bei Druckstößen in Rohrleitungen, bei Kreiselpumpen mit instabiler Drosselkurve oder unter dem Einfluss des rotierenden Laufrades, Kármánsche Wirbelstraße.
Infolge der Geschwindigkeitsänderungen an einem festen Ort treten aufgrund lokaler Beschleunigungen oder Verzögerungen in einer instationären Strömung zusätzliche Massenkräfte auf, die dann entsprechende Druckänderungen verursachen.
Periodisch instationäre Strömungsvorgänge können bei ausreichend kleiner Frequenz der Zustandsänderungen oft als quasi-stationäre Vorgänge behandelt werden. Bei ihnen liegt zu jedem Zeitpunkt der gleiche gemittelte Strömungszustand vor wie bei stationären Strömungen.
Bahnlinien einzelner Teilchen sind nicht identisch mit Stromlinien: während ein Fluidteilchen eine festliegende Bahnkurve verfolgt, sind die Stromlinien zeitlich veränderlich

RMS

Root Mean Square (quadratischer Mittelwert)

k-ε-Turbulenzmodell

weitverbreitetes Zweigleichungsmodell (Standard oder nichtlinear). Es beschreibt mit zwei partiellen DGL die Entwicklung von k und ε (gute Resultate in wandfernen Gebieten des Strömungsfeldes)

k-ω-Turbulenzmodell

weitverbreitetes Zweigleichungs-Turbulenzmodell (Wilcox). Es werden hier eine Transportgleichung für k und eine Transportgleichung für ω der energie-dissipierenden Wirbel gelöst. (gute Resultate in wandnahen Gebieten des Strömungsfeldes)

isotrope Dissipationsrate

charakteristische Frequenz

turbulente kinetische Energie