Turbulenzintensität

Die Turbulenzintensität ist eine dimensionslose Größe, die die Stärke der Geschwindigkeitsfluktuationen in einer turbulenten Strömung relativ zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit beschreibt. Für die Strömungskomponente in Strömungsrichtung gilt I = u_rms / U, wobei u_rms die Wurzel aus dem zeitlichen Mittelwert der quadratischen Abweichung der Geschwindigkeit u vom Mittelwert ist. In einer dreidimensionalen Betrachtung kann auch die Gesamtturbulenzintensität definiert werden als I = sqrt(⟨u'^2+v'^2+w'^2⟩)/U. Die Turbulenzintensität dient als grobe Kennzahl des Ausmaßes der Geschwindigkeitsfluktuationen.

Interpretation: Sie gibt an, wie stark unregelmäßige Fließbewegungen gegenüber dem mittleren Fluss auftreten. Sie ist kein direktes Maß der Turbulenzenergie, korreliert jedoch mit Impuls- und Stoffaustausch, beeinflusst Mischprozesse, Wärmeübertragung sowie das Grenzschichtverhalten und Druckverluste.

Messung: Turbulenzintensität wird aus Messungen der Strömungsgeschwindigkeit abgeleitet. Typische Methoden sind Hot-Wire-Anemometrie, Laser-Doppler-Velocimetry (LDV), Particle Image Velocimetry (PIV) oder Pitot-Systeme. Die Größe ergibt sich aus dem Verhältnis von u_rms (bzw. sqrt(⟨u'^2+v'^2+w'^2⟩) für die Gesamtturbulenz) zur gemessenen mittleren Geschwindigkeit U; dazu sind ausreichende zeitliche oder räumliche Auflösung und ggf. Ensemblemittelung notwendig.

Wertebereiche: In technischen Strömungen liegen Turbulenzintensitäten häufig im Bereich von wenigen Hundertsteln bis zu einigen Zehnteln. Typische Werte hängen von Reynolds-Zahl, Strömungskonfiguration und Anregung ab und schwanken stark zwischen Kanal-, Rohr-, Freiströmungs- und Windkanalbedingungen.

Anwendungen: Die Kennzahl wird in der Auslegung und Analyse von Strömungssystemen genutzt, etwa in der Luft- und Raumfahrt, in Windkanälen, bei Turbomaschinen, Verbrennungssystemen, Rauch- und Schadstoffausbreitung sowie bei HVAK-Designs zur Abschätzung von Misch- und Wärmeübertragungseffekten.