Strömungsphysik

Strömungsphysik ist ein Teilgebiet der Physik und des Ingenieurwesens, das sich mit Fluiden in Bewegung sowie mit ruhenden Flüssigkeiten befasst. Sie untersucht Strömungsfelder, Druck- und Geschwindigkeitstrukturen, Viskosität, Grenzflächenkräfte und die Wechselwirkung von Fluiden mit festen Grenzflächen.

Die Grundlagen beruhen auf Erhaltungsgesetzen: Masse (Kontinuität), Impuls und Energie. Für kohäsive Newtonsche Fluide erhält man die Navier–Stokes-Gleichungen; im Vektorform: ρ(Dv/Dt) = -∇p + μ∇^2v + f. Die Kontinuitätsgleichung lautet ∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0. Für inkompressible Fluide vereinfacht sich ∇·v = 0. Bei ideale Fluide, d. h. ohne Viskosität, gilt die Euler-Gleichung.

Fließverhalten wird durch die Reynolds-Zahl Re beschrieben: Re = ρ v L / μ. Niedrige Re-Regionen dominieren laminar, hohe Re begünstigen Turbulenz; es gibt auch Übergangsbereiche. Strömungen werden zwischen inkompressibel und kompressibel, sowie Newtonschen und nicht-Newton’schen Flüssigkeiten unterschieden. Grenzschichten entstehen an festen Oberflächen; Potentialströmung beschreibt einige ideale, reibungsfreie Fälle.

Methoden und Anwendungen: Analytische Lösungen existieren oft nur für vereinfachte Geometrien; numerische Verfahren wie Computational Fluid Dynamics (CFD) lösen die Navier–Stokes-Gleichungen diskret. Experimentelle Methoden umfassen Druck- und Geschwindigkeitsmessungen, PIV (Particle Image Velocimetry) und Schlierenfotografie.

Anwendungsgebiete reichen von Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugtechnik, Heizungs- und Klimatechnik, Hydraulik, Umweltmeteorologie und Ozeanografie bis hin zur Biomechanik und medizinischen Strömungen.

Geschichte: Zentrale Beiträge stammen von Leonhard Euler, Daniel Bernoulli, Claude-Louis Navier und George Gabriel Stokes; die Strömungsphysik entwickelte sich im 18. und 19. Jahrhundert grundlegend weiter.