Strömungsfeldern

Strömungsfelder beschreiben die räumliche und zeitliche Verteilung der Geschwindigkeit eines Fluids in einem gegebenen Raumvolumen. Sie dienen dazu, die Bewegung des Fluids in komplexen Situationen wie Aerodynamik, Hydrodynamik oder Atmosphäre abzubilden.

Wichtige Größen sind der Geschwindigkeitsvektor v(x,t), der Druck p(x,t) und die Dichte ρ. Für inkompressible Fluide gilt die Kontinuitätsgleichung ∇·v = 0. Die Bewegung wird durch die Navier–Stokes-Gleichung beschrieben: ρ (∂v/∂t + v·∇v) = −∇p + μ∇²v + f, wobei μ die dynamische Viskosität ist.

Zu den abgeleiteten Größen gehören die Vorticity ω = ∇×v, die Divergenz ∇·v und die Bahndauer von Teilchen (Streamlines, pathlines). In Potentialströmung gilt ω = 0, also curl v = 0, während realistische Strömungen oft Vortex-Strukturen zeigen.

Gängige Strömungsfelder sind beispielhaft: Uniformströmung, Couette-Flow (Schiebung zwischen parallelen Platten), Poiseuille-Flow (laminarer Fluss in Rohren). In rotierenden Systemen können Rotationsfelder und Turbulenz auftreten. Streifen des Strömungsfeldes werden durch Linien (Streamlines) sichtbar.

Messung und Simulation: Strömungsfelder werden durch Messverfahren wie Particle Image Velocimetry (PIV) oder Laser-Doppler-Velocimetry bestimmt. Computerbasierte Strömungssimulationen (CFD) lösen die Navier–Stokes-Gleichungen auf diskreten Rastern oder Gittern.

Anwendungen: Aerodynamik, Hydrodynamik, Umwelt- und Wetterforschung, Ozeanografie, Prozesse in der Verfahrenstechnik. Das Verständnis von Strömungsfeldern ermöglicht Optimierung, Vorhersage und Kontrolle von Systemen, in denen Fluide bewegen.