Was ist Fluidströmung?

Die Fluidströmung beschreibt die kontinuierliche Verformung und Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen als Reaktion auf angewendete Kräfte oder Druckunterschiede. Sie spiegelt die Fähigkeit der Flüssigkeit wider, ihre Form zu ändern oder sich an ihren Behälter anzupassen – im Gegensatz zu Feststoffen, die eine feste Form beibehalten.

Das Verhalten von Fluiden während des Fließens wird durch ihre Viskosität beeinflusst, die den inneren Strömungswiderstand der Fluide misst. Aufgrund ihrer Viskositätseigenschaften werden Fluide entweder als Newtonsch oder nicht-Newtonsch klassifiziert.

Das Verständnis von Fluidströmungen ist in vielen technischen Bereichen, einschließlich Luft- und Raumfahrt, Bauwesen, Maschinenbau und Biomedizintechnik, von entscheidender Bedeutung. Sie spielt auch eine wichtige Rolle in wissenschaftlichen Disziplinen wie Ozeanographie, Meteorologie und Biologie. Um komplexe Strömungsprobleme zu lösen, setzen Ingenieur*innen häufig fortschrittliche Techniken wie die numerische Strömungsdynamik (CFD) ein, die leistungsfähige Computerhardware mit ausgeklügelten numerischen Methoden kombiniert.

Strömungsmechanik ist die Untersuchung von Flüssigkeiten und Gasen in Bewegung basierend auf empirischen Gesetzen, die aus Strömungsmessungen abgeleitet werden. Probleme mit der Flüssigkeitsströmung umfassen typischerweise die Bestimmung von Eigenschaften wie:

• Fluidgeschwindigkeit – eine Vektorgröße, die beschreibt, wie schnell und in welche Richtung sich die Flüssigkeit bewegt (in Metern pro Sekunde)
• Flüssigkeitsdruck – eine Vektorgröße, die die Kraft pro Flächeneinheit beschreibt, die eine Flüssigkeit auf ihre Umgebung oder eine Oberfläche ausübt, mit der sie interagiert (in Pascal oder Pounds per Square Inch).
• Flüssigkeitstemperatur – stellt die durchschnittliche kinetische Energie von Molekülen innerhalb einer Flüssigkeit dar, die widerspiegelt, wie heiß oder kalt die Flüssigkeit ist (in Grad Celsius, Kelvin oder Fahrenheit) 
• Viskosität der Flüssigkeit — ein Maß für den Widerstand einer Flüssigkeit gegen Fließverhalten und Verformung, das die innere Reibung zwischen benachbarten Schichten der Flüssigkeit während ihrer Bewegung relativ zueinander quantifiziert (in pascal-Sekunden)

Es gibt viele Subdisziplinen der Strömungsmechanik, einschließlich Aerodynamik (die sich mit der Untersuchung von Luft und Gasen in Bewegung beschäftigt, wie die Berechnung von Kräften auf Flugzeugflügeln) und Hydrodynamik (die sich mit der Untersuchung von Flüssigkeit in Bewegung beschäftigt, wie die Bestimmung des Massendurchflusses von Erdöl durch Rohrleitungen).

Die Reynolds-Zahl in Fluidströmung

Ingenieur*innen verwenden häufig dimensionslose Zahlen, um die Anzahl der Variablen effektiv zu reduzieren und aussagekräftige Korrelationen aus physikalischen Phänomenen zu extrahieren. Die Reynolds-Zahl ist eine solche Zahl, die die Trägheitskräfte mit den viskosen Kräften in einer Fluidströmung in Beziehung setzt.

Bei laminarer Strömung sind die viskosen Kräfte im Vergleich zu den Trägheitskräften groß. Mit zunehmender Reynolds-Zahl werden Trägheitskräfte dominanter, bis die Strömung schließlich turbulent wird. Die Reynolds-Zahl, bei der dies geschieht, wird als kritische Reynolds-Zahl bezeichnet.

Die kritische Reynolds-Zahl hat keinen festen Wert, hängt aber von Faktoren wie der Glätte der Begrenzungsflächen und der Geometrie der Strömung ab. Beispiel: Bei internen Strömungen, die durch eine glatte Oberfläche begrenzt werden, beträgt der Wert etwa 2.300, während er bei externen Strömungen viel höher sein kann.

Fluidströmungen haben viele Attribute, die entweder die inhärenten Eigenschaften der Flüssigkeit widerspiegeln oder wie sie sich in Raum und Zeit ändert. Darüber hinaus stellen turbulente Strömungen zusätzliche Herausforderungen dar. Bislang haben die Forscher*innen noch keine eleganten Lösungen für diese Probleme gefunden.

Laminare Strömung beschreibt Strömungen, bei denen es in einer Strömung keine Vermischung zwischen den verschiedenen Fluidschichten (Lamina) gibt. Laminare Strömungen treten auf, wenn viskose Kräfte stärker sind als Trägheitskräfte. Die meisten natürlich auftretenden Ströme von technischem Interesse werden jedoch in Turbulenzen übergehen.

Bei turbulenten Strömungen vermischen sich die Fluidschichten, was zu Spannungen führt, die Spinnelemente bilden (Rezirkulation und Wirbel). Turbulente Strömung wird beobachtet, wenn Trägheitskräfte stärker sind als viskose Kräfte.

Es ist erwähnenswert, dass es eine dritte Art von Strömung gibt – eine Übergangsströmung –, die weder vollständig turbulent noch laminar ist.

Ingenieur*innen untersuchen turbulente Strömungen über eine Reynolds-Zersetzung, bei der die Strömung in eine durchschnittliche Komponente und eine Störungskomponente getrennt wird. Die Reynolds-Zahl ist definiert als das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften innerhalb einer Flüssigkeit. Es handelt sich um eine dimensionslose Menge, mit der bestimmt werden kann, ob eine Strömung für eine bestimmte Konfiguration laminar oder turbulent ist. Sie wird gegeben durch:

Dabei ist ρ die Dichte der Flüssigkeit, V die Strömungsgeschwindigkeit und L eine charakteristische Länge (z. B. der Durchmesser eines Rohrs).

Betrachten Sie beispielsweise Rohre mit den folgenden Eigenschaften:

• Wenn R_e kleiner als 2.000 ist, dominieren zähflüssige Kräfte und das Strömungsregime ist laminar.
• Wenn R_e größer als 4.000 ist, dominieren Trägheitskräfte und das Strömungsregime ist turbulent.
• Wenn R_e zwischen 2.000 und 4.000 liegt, gibt es Übergangsströmung.

Im Folgenden sind die Hauptunterschiede zwischen laminaren und turbulenten Strömungen aufgeführt:

Stationäre und instationäre Strömung

Eine stationäre Strömung ist eine Strömung, bei der sich Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Druck und Dichte an keinem bestimmten Punkt im Raum mit der Zeit ändern. Wenn sich jedoch eine dieser Eigenschaften mit der Zeit ändert, ist die Strömung instationär.

Turbulente Strömungen sind naturgemäß instationär. Sie können jedoch auch statistisch stationär sein, was bedeutet, dass zeitgemittelte Strömungsbedingungen wie die Geschwindigkeit mit der Zeit konstant bleiben.

Instationäre Strömungen sind häufig in der Natur zu finden. Modelle für instationäre Strömungen sind jedoch schwieriger zu lösen, da die Einführung der Zeitdimension erheblich mehr Rechenkapazität erfordert.

Gleichförmige und ungleichförmige Strömung

Gleichförmige Strömung beschreibt die Fluidströmung, bei der die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in Richtung und Größe über die Strömung konstant bleibt.

Kompressible und inkompressible Strömung

Komprimierbarkeit beschreibt die Fähigkeit, die Moleküle in einer Flüssigkeit näher zusammenzubringen. 

Gase lassen sich leicht komprimieren, da ihre Moleküle weit auseinander liegen. Ihr Volumen und ihre Dichte können durch Anlegen oder Entlasten von Druck leicht verändert werden. Andererseits sind Flüssigkeiten schwierig zu komprimieren, da ihre Moleküle viel näher beieinander liegen. 

Für die meisten praktischen Anwendungen können Flüssigkeiten als inkompressibel betrachtet werden (außer wenn die Ausbreitung von Rauschen signifikant wird, wie bei einigen instationären Strömungsproblemen).

In Strömungsfeldern, in denen die Geschwindigkeitsschwankungen im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit in dieser Flüssigkeit gering sind, kann die Strömung als inkompressibel behandelt werden (selbst bei Gasen). Dies ist von Bedeutung, da die Komprimierbarkeit die Komplexität der maßgebenden Gleichungen erheblich erhöht.

Die Machzahl ist eine nützliche dimensionslose Zahl, die hilft, die Bedeutung von Kompressibilitätseffekten in der Fluidströmung zu bestimmen. Bei Machzahlen kleiner oder gleich 0,3 kann die Strömung als inkompressibel behandelt werden. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten (hohe Unterschall- und Überschallgeschwindigkeit) werden die Kompressibilitätseffekte erheblich, insbesondere wenn Stoßwellen betroffen sind – zum Beispiel in Düsentriebwerken, Hochgeschwindigkeitsflugzeugen und Raketen.

Viskose und nichtviskose Strömung

Viskosität ist ein Maß für die Reibung in einer Flüssigkeit. Da Schichten innerhalb einer Flüssigkeit gegeneinander reiben, entsteht Reibung. Eine hohe Viskosität (z. B. Honig) weist auf eine hohe Reibung hin und umgekehrt. Bei einer Flüssigkeit nimmt die Viskosität mit steigender Temperatur ab. Dies liegt daran, dass sich Moleküle in einer wärmeren Flüssigkeit freier bewegen und leichter übereinander gleiten können. Bei einem Gas steigt die Viskosität jedoch mit der Temperatur an.

Eindimensionale und mehrdimensionale Strömung

Die Dimensionalität der Strömung verweist auf die Anzahl der räumlichen Dimensionen, die sich erheblich auf die Eigenschaften einer Strömung auswirken. Beachten Sie, dass Zeit oft als Dimension bezeichnet wird.

Bei eindimensionalen Strömungen variieren Größen wie Geschwindigkeit, Druck und Dichte nur in einer Dimension erheblich. Eindimensionale Strömungsmodelle eignen sich für Strömungsbedingungen, bei denen Änderungen in den anderen beiden Dimensionen vernachlässigbar sind (z. B. bei einem Rohr mit konstantem Durchmesser, bei dem Abweichungen nur entlang der Länge des Rohrs auftreten).

In zweidimensionalen Strömungsmodellen sind Abweichungen in der dritten Dimension entweder einheitlich oder vernachlässigbar. Dies tritt bei Strömungen mit hohem Seitenverhältnis auf, bei denen eine Dimension erheblich größer als eine andere ist. Bei der Entwicklung der Begrenzungsschicht entlang einer flachen Platte sind beispielsweise Abweichungen der Fließeigenschaften über die Breite der Platte im Vergleich zu Abweichungen entlang der Länge und Höhe vernachlässigbar. Viele Wettersystemmodelle sind zweidimensional, da die Erdatmosphäre relativ zur Erdoberfläche sehr dünn ist.

Dreidimensionale Strömungsmodelle sind in technischen Anwendungen am allgegenwärtigen und erfassen die gesamte Komplexität dieser Ströme in drei Dimensionen. In diesen Fällen erzeugen komplexe Geometrien komplizierte Strömungsbewegungen, die auch durch dreidimensionale Mengenschwankungen wie Druck, Geschwindigkeit oder Dichte beeinflusst werden.

Vereinfachte ein- und zweidimensionale Modelle ermöglichen zwar einen geringeren Analyseaufwand, sind aber nicht immer eine gültige Option. Die Wahl des Modells hängt vom jeweiligen Problem ab. Ingenieur*innen verlassen sich häufig auf vereinfachte Modelle in den ersten Konstruktionsphasen und entscheiden sich für erweiterte 3D-Modellierung in den letzten Verifizierungsphasen.

Externe und interne Strömung

Die Hauptunterschiede zwischen externen und internen Strömungen ergeben sich aus der Art der Grenzen, die diese Strömungen umgeben.

Externe Strömungen treten auf, wenn mindestens eine Seite unbegrenzt ist, was zu Grenzschicht- und Wake-Effekten führt. Auf der anderen Seite treten interne Strömungen innerhalb von engen (festen) Grenzen auf, in denen Druckabfälle und Strömungsverteilungen häufig von Interesse sind.

Beispiele für externe Strömungen sind Luftströmungen über den Rumpf eines Flugzeugs (bei denen aerodynamische Kräfte wie Auftrieb und Widerstand häufig von Interesse sind), Wasser, das über den Schiffsrumpf fließt oder Wind, der über ein Gebäude weht. Form und Ausrichtung von Objekten beeinflussen das Verhalten von externen Strömungen, indem sie Grenzschichten (viskose Bereiche an Objekt-Strömungsschnittstellen) und Strömungsablösungen bilden.

Beispiele für interne Strömungen sind Luft oder Wasser, das durch Rohre oder Kanäle fließt. Sie werden durch die Begrenzungswände begrenzt, und der an den Wänden verlorene Impuls führt zu einem Druckabfall entlang der Strömungsrichtung.

Mehrphasige Strömung

Eine Mehrphasenströmung beschreibt eine Strömung, die das gleichzeitige Auftreten von zwei oder mehr unterschiedlichen thermodynamischen Phasen umfasst. Diese Phasen können die Form von Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen annehmen und aus denselben oder verschiedenen Komponenten bestehen, wie Wasser-/Wasserdampfströmung, Öl-/Wasserströmung oder Flüssig-Feststoff-Suspensionen.

Mehrphasige Strömungen werden in der Regel in zwei- und dreiphasige Strömungen kategorisiert, obwohl komplexere Systeme zusätzliche Phasen enthalten können.

Zu den üblichen zweiphasigen Strömungen gehören:

• Gas-Flüssigkeit-Ströme – finden sich in Verdampfern und Kondensatoren
• Gas-Feststoff-Ströme – finden sich in Bioreaktoren
• Flüssig-Feststoff-Ströme – finden sich in Gülletransport- und Sedimentationssystemen

Zu den dreiphasigen Strömungen gehören Gas-Flüssig-Feststoff-Ströme (wie in chemischen Reaktoren und Wirbelschichtanlagen) und Gas-Flüssig-Flüssig-Ströme (wie sie in Ölrückgewinnungssystemen vorkommen).

Die Modellierung einer mehrphasigen Strömung ist aufgrund der Interaktion zwischen verschiedenen Phasen komplex. Sie ist von zentraler Bedeutung für eine Vielzahl technischer Probleme, einschließlich chemischer Verarbeitung und pharmazeutischer Produkte (z. B. Mischen, Filtration und Trennung), Stromerzeugung (Dampfturbinen- und Verbrennungsmodellierung) sowie Öl und Gas (Reduzierung von Abfackeln und Entlüften). Ingenieur*innen verwenden Ansätze wie Euler-Lagrange, Euler-Euler oder VOF-Methoden (Volume of Fluid), um diese Probleme zu lösen.

Direkte numerische Simulation (DNS) turbulenter Strömungen basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen (ohne Turbulenzmodellierung) ist bei mäßigen Reynolds-Zahlen möglich. Aufgrund der übermäßigen Rechenressourcen, die erforderlich sind, weisen die meisten technischen Strömungen Reynolds-Zahlen für direkte numerische Simulation zu hoch auf. So liegt beispielsweise jedes Flugfahrzeug, das groß genug ist, um einen Menschen zu transportieren, außerhalb der Reichweite der DNS (Re = 4 Millionen).

Daher kombinieren Ingenieur*innen Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) mit Turbulenzmodellierung, um eine effektive Charakterisierung turbulenter Strömungen zu ermöglichen. RANS-Modelle berücksichtigen den zusätzlichen Impuls- und Wärmetransfer, der durch Turbulenzen durch Reynoldsspannungen verursacht wird. RANS-Modelle werden häufig in technischen Anwendungen eingesetzt, da sie weniger rechenintensiv sind als DNS und gleichzeitig eine angemessene Genauigkeit für viele Arten turbulenter Strömungen bieten.

Large Eddy Simulation (LES) und ihre Varianten sind weitere Modellierungsansätze, die einen Mittelweg zwischen DNS und RANS bilden. LES löst die größeren Turbulenzskalen direkt auf und modelliert die kleineren Skalen, was sie genauer als RANS macht. Sie ist von entscheidender Bedeutung, wenn versucht wird, Ströme zu modellieren, bei denen Transienz wichtig ist, wie die externe Aerodynamik von Autos und die Verbrennung in Gasturbinenmotoren. 

Die Fähigkeit, die Fluidströmung zu verstehen, ist der erste Schritt bei der Entwicklung effektiver Rechenmodelle. Lösungen für laminare Strömungen sind relativ einfach, und Ingenieur*innen können deterministische mathematische Modelle verwenden. Der Anwendungsbereich dieser Modelle ist jedoch begrenzt. 

Die meisten praktischen Probleme betreffen turbulente Strömungen, die aufgrund ihrer instabilen und nichtdeterministischen Natur am schwierigsten zu modellieren sind. Die genaue Modellierung turbulenter Strömungen ist nach wie vor eine Herausforderung, an der Ingenieur*innen aktiv arbeiten.

Ansys Fluent Software ist das branchenführende Strömungssimulationstool, das für seine fortschrittlichen physikalischen Modellierungsfunktionen und Genauigkeit bekannt ist.

Die Fluent-Software ist ein leistungsstarkes Tool für Ingenieur*innen, das effiziente und präzise Lösungen für komplexe Probleme bei der Strömungssimulation bietet. Es bietet eine breite Palette an physikalischen Modellen und Techniken, darunter:

• Eine große Auswahl an Turbulenzmodellen 
• Modelle mit reduzierter Ordnung
• Eine große Auswahl an Mehrphasen-Strömungsmodellen
• Zahlreiche Verbrennungsmodelle
• Fluid-Struktur-Wechselwirkungen
• Hochgradig skalierbare parallele Funktionen für Vernetzung und Lösung

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