Strömungsanalyse

Strömungsanalyse bezeichnet die Untersuchung des Verhaltens von Fluiden (Flüssigkeiten und Gasen) unter Berücksichtigung von Strömung, Druck, Temperatur und Transportprozessen. Ziel ist es, Strömungsvorgänge zu verstehen, vorherzusagen und zu optimieren. Die Analyse basiert auf dem Erhaltungssatz für Masse, Impuls und Energie, formal ausgedrückt durch die Kontinuität, die Navier-Stokes-Gleichungen und die Energieerhaltung. Je nach Kompression und Dichteveränderungen unterscheidet man inkompressible und kompressible Strömung; wichtige Kenngrößen sind die Reynolds-Zahl, die Mach-Zahl und die Prandtl-Zahl.

Analytische Lösungen existieren nur für vereinfachte Geometrien und Randbedingungen (z. B. Poiseuille- oder Couette-Strömung). In der Praxis kommen numerische Methoden vor allem in der Computational Fluid Dynamics (CFD) zum Einsatz: Der Strömungsraum wird diskretisiert, und die Navier-Stokes-Gleichungen werden numerisch gelöst. Typische Ansätze sind die Finite-Volumen-Methode, die Finite-Elemente-Methode und das Finite-Differenzen-Verfahren. Turbulente Strömung erfordert Modelle wie k-ε, k-ω, Large-Eddy-Simulation (LES) oder DNS. Wesentlich ist eine gute Netzerstellung und die Validierung gegen experimentelle Daten.

Experimentelle Strömungsanalyse ergänzt numerische Berechnungen durch Messungen vor Ort. Zu gängigen Methoden gehören Particle-Image-Velocimetry (PIV), Laser-Doppler-Velocimetry (LDV), Hot-Wire-Anemometrie sowie Druck- und Temperaturmessungen. Ergebnisse dienen der Verifizierung von Modellen, der Kalibrierung von Turbulenzmodellen und der Optimierung von Bauteilen.

Anwendungen der Strömungsanalyse finden sich in der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau, der Gebäude- und HLK-Technik, der Energiewirtschaft, dem Umwelt- und Verfahrensingenieurwesen sowie in der Biomedizin. Open-Source-Tools wie OpenFOAM und SU2 sowie kommerzielle Softwarepakete wie ANSYS Fluent oder COMSOL kommen häufig zum Einsatz.