Strömungsdynamik

Strömungsdynamik ist ein Teilgebiet der Fluiddynamik, das die Bewegung von Fluiden untersucht und die Kräfte beschreibt, die Strömungen beeinflussen. Zentrale Größen sind Dichte, Geschwindigkeit, Druck, Viskosität und Temperatur, deren Verteilung Muster und Trends der Strömung bestimmt.

Die theoretische Grundlage bilden die Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltung), die Impuls- bzw. Navier-Stokes-Gleichungen und die Energieerhaltung. In idealen, nichtviskosen Fluiden führen die Euler-Gleichungen und die Bernoulli-Gleichung zu einfachen Modellen. In realen Fluiden mit Viskosität lautet die Grundgleichung die Navier-Stokes-Gleichungen. Die Lösungen hängen stark von Randbedingungen, Dichte, Viskosität und thermischen Effekten ab.

Strömungen werden häufig nach Inkompressibilität (inkompressible vs. kompressible), nach Laminarität (laminar vs. turbulent) sowie nach stationärem oder zeitabhängigem Verhalten unterschieden. Der Reynolds-Zahl ordnet Strömungen in Abhängigkeit von Trägheit und Viskosität ein und kennzeichnet Übergänge zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Weitere wichtige Größen sind die Mach-Zahl (für kompressible Effekte) sowie andere nichtdimensionale Kennzahlen wie Prandtl- oder Reynolds-Zahl.

Anwendungen finden sich in der Aerodynamik von Fahrzeugen und Flugzeugen, der Hydrodynamik von Schiffen, der Strömung in Rohrleitungen, Verbrennungsprozessen, Wetter- und Klimamodellen sowie in der Mikrofluidik und medizinischen Technik.

Methoden: Analytische Lösungen existieren nur in wenigen, idealisierten Fällen. Häufig werden numerische Verfahren im Bereich Computational Fluid Dynamics (CFD) eingesetzt. Experimentelle Methoden wie Strömungsvisualisierung, Particle Image Velocimetry (PIV) oder Laser-Doppler-Anemometrie ergänzen die Theorie. Historisch wurden die Grundlagen von Euler, Navier und Stokes formuliert; die Turbulenztheorie wurde im 20. Jahrhundert durch Kolmogorov weiterentwickelt.