Strömungsprozesse

Strömungsprozesse beschreiben die Bewegung und Wechselwirkung von Fluiden, also von Flüssigkeiten und Gasen, sowie den Transport von Masse, Impuls, Energie und chemischen Spezies. Sie treten in technischen Anlagen, in der Umwelt und in der Natur auf, von Rohrleitungen über Windkanäle bis hin zu Strömungsfeldern in Atmosphäre und Ozean.

Die Strömungen lassen sich nach Merkmalen unterscheiden: laminar oder turbulent, stationär oder zeitlich unbeständig, inkompressibel oder kompressibel. Die Reynolds-Zahl Re charakterisiert grob den Übergang von laminar zu turbulent und die Bedeutung von Trägheit gegenüber Viskosität. Weitere Eigenschaften beziehen sich auf die Viskosität der Fluide (Newtonian oder nicht-Newtonian) sowie auf Mehrphasen- oder Reaktionsprozesse.

Grundlagen der Strömungsprozesse bilden Erhaltungsgesetze. Die Kontinuitätsgleichung sichert den Masseerhalt, die Navier-Stokes-Gleichungen sichern den Impulserhalt, und die Energiegleichung behandelt den Energiefluss. Bei inkompressiblen Strömungen kann die Dichte als konstant angenommen werden; bei kompressiblen Strömungen ändern Dichte und Temperatur mit dem Druckfeld mit. In einfachen, idealisierten Fällen lassen sich analytische Lösungen herleiten, etwa die Hagen-Poiseuille-Gleichung für laminare Rohrströmung oder Bernoulli-Gleichungen für verlustfreie, allgemeinflächige Strömungen.

Modelle und Methoden: Analytische Lösungen beschränken sich auf einfache Geometrien; numerische Verfahren wie Computational Fluid Dynamics (CFD) verwenden Finite-Volumen- oder Finite-Elemente-Methoden, um komplexe Geometrien und Nichtlinearitäten abzubilden. Experimentelle Messungen in Windtunneln oder Wasserkanälen ergänzen die Validierung.

Anwendungsfelder umfassen Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Luft- und Raumfahrt, Bauwesen, Umwelttechnik, Meteorologie und Ozeanografie. Strömungsprozesse treten oft gekoppelt mit Wärme-, Massen- und chemischen Transportprozessen auf.

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