Unterschied: Laminare und turbulente Strömung

Im Bereich der Strömungsmechanik ist es sehr kritisch und daher sehr wichtig, ein gutes und tiefes Verständnis des Strömungsverhaltens zu haben. Hauptsächlich, um den Einfluss der Strömung auf die Konstruktion und die Entwicklung von strömungstechnischen Systemen zu analysieren. Daher ist es sehr wichtig, die verschiedenen Strömungsmuster genau zu identifizieren.

In der Praxis kann es jedoch sehr schwierig sein, das Strömungsverhalten in Echtzeit zu bestimmen. Aber durch den Einsatz von numerischen Techniken und virtuellen Simulationen können diese Strömungsmuster vorhergesagt und im Detail untersucht werden.

Laminare und turbulente Strömung

Es gibt zwei Arten von Strömungen, die in einem strömungsabhängigen System auftreten: Laminare und turbulente Strömungen.

Laminare Strömung

Laminare Strömungen, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt an jeder Stelle und in allen Richtungen innerhalb der Strömung konstant ist und sich die Strömungslänge innerhalb des Bereichs nicht ändert, werden als laminare Strömungen bezeichnet.

Laminare Strömung mit zwei stationären Wirbeln

Turbulente Strömung

Strömungen mit chaotischem Strömungsverhalten, bei denen Druck und Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt und in allen Richtungen stark variieren (Wirbel), werden als turbulente Strömungen bezeichnet.

Turbulente Strömung mit Karmansche Wirbelstrasse

Reynoldszahl

In der Strömungsmechanik gibt es eine dimensionslose Grösse («Parameter»), die häufig verwendet wird, um diese unterschiedlichen Strömungen (z. B. laminare oder turbulente Strömungen) zu charakterisieren. Diese Grösse wird als Reynoldszahl bezeichnet. Sie ist ein Mass für das Verhältnis zwischen Trägheits- und Widerstandskräften in einer Strömung.

Die Gleichung für die Reynoldszahl lautet wie folgt:

Dabei steht:

p für die Dichte des Fluids
V für die mittlere Geschwindigkeit
L für charakteristische Länge
µ für die dynamische Viskosität des Fluids

Das Strömungsmuster hängt im Wesentlichen von der Reynoldszahl ab.

Reynoldszahl für laminare Strömung

Eine Strömung gilt als laminar, bei einer Reynoldszahl bis maximal 2000. Bei dieser niedrigen Reynolds-Zahl dominieren die Zähigkeitskräfte und die Strömung ist laminar.

Reynoldszahl für turbulente Strömung

Ist die Reynoldszahl grösser als 4000, wird die Strömung als turbulent bezeichnet. Bei diesen höheren Reynoldszahlen dominieren die Trägheitskräfte.

Für Reynolds-Zahlen zwischen 2000 und 4000 befindet sich die Strömung in einem Übergangszustand und kann ein laminares oder turbulentes Strömungsverhalten oder beides aufweisen.

Durch den Einsatz numerischer Verfahren und virtueller Simulationssoftware wie SOLIDWORKS Flow Simulation können diese unterschiedlichen Strömungsverhalten vorhergesagt und im Detail untersucht werden. z.B. wird unten eine Umströmung eines Zylinders mit SOLIDWORKS Flow Simulation berechnet. Mithilfe von Konturen (z.B. Geschwindigkeitsdarstellungen) kann visualisiert werden, ob das fluidabhängige System ein gleichmässiges (laminares) oder ungleichmässiges (turbulentes) Strömungsverhalten ergibt.