Strömungspfads

Strömungspfad bezeichnet in der Strömungsmechanik den Pfad, den ein einzelnes Fluidelement im Verlauf eines Strömungsfeldes durchläuft. Er ergibt sich aus der Lösung des Anfangswertproblems dx/dt = v(x,t), wobei v(x,t) der Geschwindigkeitsvektor des Strömungsfeldes ist und x(t0) = x0 die Anfangsposition des betrachteten Fluidelements festlegt.

Der Strömungspfad ist eine zeitabhängige Trajektorie eines spezifischen Partikels und hängt von der Anfangsposition ab. Im Gegensatz dazu ist eine Strömungslinie zum jeweiligen Zeitpunkt t eine Kurve, die senkrecht zu den lokalen Geschwindigkeitsvektoren verläuft. Streaklines ergeben sich aus den Punkten, die durch einen festgelegten Austrittsort eines Tracers in die Strömung gelangen. In stationären (zeitunabhängigen) Strömungen fallen Strömungspfad, Strömungslinie und Streakline zusammen; in unbeständigen Strömungen unterscheiden sie sich.

Zur Bestimmung eines Strömungspfads wird das Geschwindigkeitsfeld oft aus Messungen oder Simulationen abgeleitet. Das zugehörige Anfangswertproblem wird numerisch gelöst, typischerweise mit Verfahren wie Runge-Kutta. In Experimenten lassen sich Strömungspfad-Informationen durch Tracerpartikel oder Farbstoffe gewinnen, deren Trajektorien als Pathlines interpretiert werden.

Anwendungen des Strömungspfads liegen in der Analyse des Stofftransports, der Verdünnung und der Vermischung von Substanzen sowie in der Medizin, der Umwelttechnik und der Strömungsvisualisierung technischer Systeme. Beispiele verdeutlichen, wie einfache oder komplexe Geschwindigkeitsfelder die Trajektorien beeinflussen: eine konstante Feldrichtung führt zu geraden Pfaden, während rotierende oder variierende Felder kreis- oder spiralähnliche Pfade erzeugen können.