Fluiddynamik ist „der Zweig der angewandten Wissenschaft, der sich mit der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen befasst“, so das American Heritage Dictionary. Die Strömungsdynamik ist einer von zwei Zweigen der Strömungsmechanik, die sich mit der Untersuchung von Flüssigkeiten und der Wirkung von Kräften auf diese beschäftigt. (Der andere Zweig ist die Strömungslehre, die sich mit ruhenden Flüssigkeiten befasst.)
Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen beschäftigen sich mit der Strömungslehre. Die Fluiddynamik bietet Methoden zur Untersuchung der Entwicklung von Sternen, Meeresströmungen, Wettermustern, Plattentektonik und sogar des Blutkreislaufs. Zu den wichtigen technischen Anwendungen der Fluiddynamik gehören Raketenmotoren, Windturbinen, Ölpipelines und Klimaanlagen.
Was ist eine Strömung?
Die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen wird allgemein als „Strömung“ bezeichnet, ein Konzept, das beschreibt, wie sich Flüssigkeiten verhalten und wie sie mit ihrer Umgebung interagieren – zum Beispiel Wasser, das sich durch einen Kanal oder ein Rohr oder über eine Oberfläche bewegt. Die Strömung kann entweder gleichmäßig oder instabil sein. In seinem Vorlesungsskript „Lectures in Elementary Fluid Dynamics“ (University of Kentucky, 2009) schreibt J. M. McDonough, Professor für Ingenieurwissenschaften an der University of Kentucky: „Wenn alle Eigenschaften einer Strömung unabhängig von der Zeit sind, dann ist die Strömung stetig; andernfalls ist sie instationär.“ Das heißt, stetige Strömungen ändern sich nicht im Laufe der Zeit. Ein Beispiel für eine stetige Strömung wäre Wasser, das mit einer konstanten Geschwindigkeit durch ein Rohr fließt. Andererseits sind eine Überschwemmung oder Wasser, das aus einer altmodischen Handpumpe fließt, Beispiele für eine instationäre Strömung.
Eine Strömung kann auch laminar oder turbulent sein. Laminare Strömungen sind gleichmäßiger, während turbulente Strömungen eher chaotisch sind. Ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung des Strömungszustands einer Flüssigkeit ist ihre Viskosität oder Dicke, wobei eine höhere Viskosität die Tendenz zu einer laminaren Strömung erhöht. Patrick McMurtry, Ingenieurprofessor an der University of Utah, beschreibt den Unterschied in seinen Online-Klassennotizen „Observations About Turbulent Flows“ (University of Utah, 2000) und erklärt: „Mit laminarer Strömung meinen wir im Allgemeinen eine gleichmäßige, stetige Flüssigkeitsbewegung, bei der alle induzierten Störungen aufgrund der relativ starken viskosen Kräfte gedämpft werden. In turbulenten Strömungen können andere Kräfte wirken, die der Wirkung der Viskosität entgegenwirken.“
Laminare Strömung ist in vielen Situationen wünschenswert, z. B. in Entwässerungssystemen oder Flugzeugflügeln, da sie effizienter ist und weniger Energie verloren geht. Turbulente Strömungen können nützlich sein, um verschiedene Flüssigkeiten miteinander zu vermischen oder die Temperatur auszugleichen. Laut McDonough sind die meisten Strömungen von Interesse turbulent; solche Strömungen können jedoch sehr schwer im Detail vorhergesagt werden, und die Unterscheidung zwischen diesen beiden Arten von Strömungen ist weitgehend intuitiv.
Ein wichtiger Faktor bei Flüssigkeitsströmungen ist die Reynolds-Zahl (Re), die nach dem Wissenschaftler Osborne Reynolds aus dem 19. Jahrhundert benannt ist, obwohl sie erstmals 1851 vom Physiker George Gabriel Stokes beschrieben wurde. McDonough definiert die Re-Zahl als „das Verhältnis von Trägheits- zu Viskositätskräften“. Die Trägheitskraft ist der Widerstand, den die Flüssigkeit einer Bewegungsänderung entgegensetzt, und die viskose Kraft ist der Betrag der Reibung aufgrund der Viskosität oder Dicke der Flüssigkeit. Man beachte, dass Re nicht nur eine Eigenschaft des Fluids ist, sondern auch die Strömungsbedingungen wie die Geschwindigkeit und die Größe und Form der Leitung oder etwaige Hindernisse einschließt.
Bei niedrigem Re ist die Strömung eher glatt oder laminar, während bei hohem Re die Strömung eher turbulent ist und Wirbel und Wirbel bildet. Re kann verwendet werden, um vorherzusagen, wie ein Gas oder eine Flüssigkeit um ein Hindernis in einer Strömung herumfließen wird, z. B. Wasser um einen Brückenpfeiler oder Wind über einer Flugzeugtragfläche. Die Zahl kann auch verwendet werden, um die Geschwindigkeit vorherzusagen, bei der die Strömung von laminar zu turbulent übergeht.
Flüssigkeitsströmung
Das Studium der Flüssigkeitsströmung wird Hydrodynamik genannt. Zu den Flüssigkeiten gehören zwar alle möglichen Stoffe, z. B. Öl und chemische Lösungen, aber die bei weitem häufigste Flüssigkeit ist Wasser, und die meisten Anwendungen der Hydrodynamik betreffen die Steuerung der Strömung dieser Flüssigkeit. Dazu gehören der Hochwasserschutz, der Betrieb von städtischen Wasser- und Abwassersystemen und die Bewirtschaftung von Wasserstraßen.
Die Hydrodynamik befasst sich hauptsächlich mit der Strömung von Wasser in Rohren oder offenen Kanälen. In den Vorlesungsunterlagen des Geologieprofessors John Southard zu seinem Online-Kurs „Introduction to Fluid Motions“ (Massachusetts Institute of Technology, 2006) wird der Hauptunterschied zwischen der Strömung in Rohren und der Strömung in offenen Kanälen beschrieben: „Strömungen in geschlossenen Leitungen oder Kanälen, wie Rohren oder Luftkanälen, stehen vollständig in Kontakt mit starren Begrenzungen“, während „Strömungen in offenen Kanälen andererseits solche sind, deren Begrenzungen nicht vollständig aus einem festen und starren Material bestehen“. Er führt aus: „Wichtige Strömungen in offenen Kanälen sind Flüsse, Gezeitenströmungen, Bewässerungskanäle oder Wasserflächen, die nach einem Regen über die Bodenoberfläche fließen.“
Aufgrund der unterschiedlichen Grenzen wirken unterschiedliche Kräfte auf die beiden Arten von Strömungen. Scott Post schreibt in seinem Buch „Applied and Computational Fluid Mechanics“ (Jones & Bartlett, 2009): „Während Strömungen in einem geschlossenen Rohr entweder durch Druck oder durch Schwerkraft angetrieben werden können, werden Strömungen in offenen Kanälen allein durch die Schwerkraft angetrieben.“ Der Druck wird hauptsächlich durch die Höhe der Flüssigkeit über dem Messpunkt bestimmt. Die meisten städtischen Wassersysteme verwenden beispielsweise Wassertürme, um den Druck im System konstant zu halten. Diese Höhendifferenz wird als hydrodynamische Druckhöhe bezeichnet. Flüssigkeit in einem Rohr kann auch durch mechanische Pumpen schneller oder mit höherem Druck zum Fließen gebracht werden.
Gasströmung
Die Gasströmung hat viele Ähnlichkeiten mit der Flüssigkeitsströmung, weist aber auch einige wichtige Unterschiede auf. Erstens ist Gas kompressibel, während Flüssigkeiten im Allgemeinen als inkompressibel gelten. In „Fundamentals of Compressible Fluid Dynamics“ (Prentice-Hall, 2006) beschreibt der Autor P. Balachandran kompressible Flüssigkeiten mit den Worten: „Wenn sich die Dichte der Flüssigkeit im gesamten Strömungsfeld merklich ändert, kann die Strömung als kompressible Strömung behandelt werden.“ Andernfalls wird die Flüssigkeit als inkompressibel betrachtet. Zweitens wird die Gasströmung durch die Schwerkraft kaum beeinflusst.
Das im Alltag am häufigsten anzutreffende Gas ist die Luft; daher haben Wissenschaftler ihren Strömungsbedingungen große Aufmerksamkeit gewidmet. Durch Wind bewegt sich die Luft um Gebäude und andere Strukturen herum, und sie kann auch durch Pumpen und Ventilatoren in Bewegung gebracht werden.
Ein Gebiet von besonderem Interesse ist die Bewegung von Objekten durch die Atmosphäre. Dieser Zweig der Strömungsdynamik wird Aerodynamik genannt, d.h. „die Dynamik von Körpern, die sich relativ zu Gasen bewegen, insbesondere die Wechselwirkung von sich bewegenden Objekten mit der Atmosphäre“, so das American Heritage Dictionary. Zu den Problemen in diesem Bereich gehören die Verringerung des Luftwiderstands von Autokarosserien, die Entwicklung effizienterer Flugzeuge und Windturbinen sowie die Untersuchung des Flugverhaltens von Vögeln und Insekten.
Bernoulli-Prinzip
Im Allgemeinen hat ein Fluid, das sich mit höherer Geschwindigkeit bewegt, einen geringeren Druck als ein Fluid, das sich mit geringerer Geschwindigkeit bewegt. Dieses Phänomen wurde erstmals von Daniel Bernoulli im Jahr 1738 in seinem Buch „Hydrodynamica“ beschrieben und ist allgemein als Bernoulli-Prinzip bekannt. Es kann angewandt werden, um die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit oder eines Gases zu messen, das sich in einem Rohr oder Kanal oder über eine Oberfläche bewegt.
Dieses Prinzip ist auch für den Auftrieb in einem Flugzeugflügel verantwortlich, weshalb Flugzeuge fliegen können. Weil der Flügel unten flach und oben gekrümmt ist, muss die Luft auf der Oberseite eine größere Strecke zurücklegen als auf der Unterseite. Um dies zu erreichen, muss sie schneller über die Oberseite strömen, wodurch der Druck abnimmt. Das führt dazu, dass die Luft mit dem höheren Druck an der Unterseite den Flügel anhebt.
Probleme in der Strömungsdynamik
Wissenschaftler versuchen oft, Strömungen mit Hilfe von Figuren zu veranschaulichen, die als Stromlinien, Streifenlinien und Bahnlinien bezeichnet werden. McDonough definiert eine Stromlinie als „eine kontinuierliche Linie in einer Flüssigkeit, bei der die Tangente an jedem Punkt die Richtung des Geschwindigkeitsvektors an diesem Punkt ist.“ Mit anderen Worten, eine Stromlinie zeigt die Richtung der Strömung an einem bestimmten Punkt in der Strömung. Eine Stromlinie ist laut McDonough „der Ort aller Strömungselemente, die zuvor einen bestimmten Punkt durchquert haben“. Eine Pfadlinie (oder Partikelpfad), schreibt er, ist „die Flugbahn eines einzelnen Flüssigkeitselements“. Wenn sich die Strömung im Laufe der Zeit nicht ändert, ist die Bahnlinie mit der Stromlinie identisch. Im Falle einer turbulenten oder instationären Strömung können diese Linien jedoch ganz anders aussehen.
Die meisten Probleme der Strömungsdynamik sind zu komplex, um sie durch direkte Berechnung zu lösen. In diesen Fällen müssen die Probleme durch numerische Methoden mit Hilfe von Computersimulationen gelöst werden. Dieser Studienbereich wird als numerische oder computergestützte Strömungsmechanik (CFD) bezeichnet, die Southard als „einen Zweig der computergestützten Wissenschaft, der numerische Vorhersagen von Flüssigkeitsströmungen liefert“ definiert. Da turbulente Strömungen jedoch in der Regel nichtlinear und chaotisch sind, müssen die Regeln und Anfangsbedingungen für diese Simulationen besonders sorgfältig festgelegt werden. Kleine Änderungen am Anfang können zu großen Unterschieden in den Ergebnissen führen.
Die Genauigkeit der Simulationen kann durch die Unterteilung des Volumens in kleinere Regionen und die Verwendung kleinerer Zeitschritte verbessert werden, was jedoch die Rechenzeit erhöht. Aus diesem Grund sollte CFD mit steigender Rechenleistung weiterentwickelt werden.
Jim Lucas ist ein freiberuflicher Autor und Redakteur, der sich auf Physik, Astronomie und Technik spezialisiert hat. Er ist Generaldirektor von Lucas Technologies.