Strömungsberechnung

Strömungsberechnung bezeichnet die quantitative Analyse der Bewegung und der Eigenschaften von Fluiden in technischen Systemen. Typische Größen sind Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Temperatur, Dichte und Volumen- bzw. Massenfluss. Grundlage sind die Erhaltungsgesetze: die Kontinuitätsgleichung (Massenbilanz), die Impulserhaltung (Navier–Stokes-Gleichungen) und die Energiegleichung. Für Newtonsche Fluide mit Viskosität beschreibt die Navier–Stokes-Gleichung die Zuwachsrate des Impulses durch Druckkräfte, Viskosität und äußere Kräfte. Inkompressible Strömungen setzen oft eine konstante Dichte voraus; kompressible Strömungen berücksichtigen Dichteänderungen, wichtig in Aerodynamik und Hochgeschwindigkeitsströmen.

Analytische Lösungen existieren nur für vereinfachte Geometrien; komplexe Geometrien erfordern numerische Verfahren. In der Praxis ist Computational Fluid Dynamics (CFD) das zentrale Werkzeug. Dabei werden Gleichungen diskretisiert, meist mittels Finiter-Volumen- oder Finiter-Element-Methoden, und auf Computern gelöst. Wesentliche Schritte sind Netzaufbau, Diskretisierung, Lösung des Gleichungssystems, sowie Konvergenzuntersuchung. Wichtige Aspekte sind Randbedingungen, Randnahe Auflösung (Gitterqualität, y+ bei Grenzschichten) sowie Stabilität und Zeitschritt bei zeitabhängigen Fällen.

Strömungsmodellierung umfasst Turbulenzmodelle: direkte Numerische Simulation (DNS), Large-Eddy Simulation (LES) und Reynolds‑Averaged Navier–Stokes (RANS) mit Turbulenzmodellen wie k‑ε oder k‑ω. Je nach Anwendungsfall werden stationäre oder transiente Berechnungen durchgeführt, inkompressible oder kompressible Modelle verwendet.

Anwendungsgebiete reichen von Aerodynamik über HLK bis hin zu Rohrströmungen, Verbrennung, Biomedizin und Umwelttechnik. Die Zuverlässigkeit hängt von Modellwahl, Meshqualität und Validierung gegen Messdaten ab.