Strömungszustände

Strömungszustände bezeichnen den Zustand eines Fluids, das sich in Raum und Zeit bewegt. Er wird durch Felder wie Geschwindigkeit, Druck, Dichte, Temperatur und gegebenenfalls Zusammensetzung beschrieben. Der Zustand liegt vor, wenn diese Felder bekannt sind oder durch Gleichungen der Fluiddynamik vorhergesagt werden. Typische Beschreibungen beruhen auf der Kontinuitätsgleichung, dem Impuls- (Navier–Stokes-) Gesetz und der Energiegleichung in Verbindung mit einer Zustandsgleichung. Bei inkompressibler Strömung wird die Dichte als konstant angenommen; bei kompressibler Strömung können Dichte und Temperatur signifikant variieren.

Strömungszustände lassen sich nach ihrem Erscheinungsbild und ihrer zeitlichen Entwicklung klassifizieren: laminar vs turbulent; stationär vs zeitabhängig; isothermisch vs nicht isotherm; einphasig vs mehrphasig. Die Einordnung erfolgt oft über dimensionale Größen wie die Reynolds-Zahl Re = ρuL/μ, die den Übergang von laminar zu turbulent kennzeichnet, oder die Mach-Zahl Ma = u/a, die Kompressibilität beschreibt. Die Prandtl-Zahl Pr verbindet viskose und wärmediffusionsbezogene Prozesse. Weitere relevante Merkmale sind die Strömungsgeometrie und Randbedingungen (Wandtemperatur, Schubspannung).

Zur Berechnung der Strömungszustände werden die Gleichungen numerisch oder analytisch gelöst: Analytische Lösungen existieren meist nur für einfache Fälle, während in der Praxis oft Computational Fluid Dynamics (CFD) eingesetzt wird. Die Strömungszustände bestimmen Druckverluste, Wärmeübergänge, Reibung an Oberflächen und die Energieeffizienz von Systemen. Anwendungen finden sich in der Technik (Rohrleitungen, Aerodynamik), Meteorologie, Geophysik und Biomechanik.