Laminare Strömung

Eine Kugel in Stokes-Strömung bei sehr niedriger Reynoldszahl. Ein Objekt, das sich durch eine Flüssigkeit bewegt, erfährt eine Widerstandskraft in der Richtung, die seiner Bewegung entgegengesetzt ist.

Die Art der Strömung, die in einem Fluid in einem Kanal auftritt, ist bei fluiddynamischen Problemen wichtig und beeinflusst anschließend den Wärme- und Stoffaustausch in Fluidsystemen. Die dimensionslose Reynoldszahl ist ein wichtiger Parameter in den Gleichungen, die beschreiben, ob voll entwickelte Strömungsbedingungen zu laminarer oder turbulenter Strömung führen. Die Reynolds-Zahl ist das Verhältnis der Trägheitskraft zur Scherkraft des Fluids: Wie schnell sich das Fluid relativ zu seiner Viskose bewegt, unabhängig von der Größe des Fluidsystems. Laminare Strömung tritt im Allgemeinen auf, wenn sich das Fluid langsam bewegt oder das Fluid sehr viskos ist. Wenn die Reynoldszahl zunimmt, beispielsweise durch Erhöhen der Durchflussrate des Fluids, wird die Strömung bei einem bestimmten Bereich von Reynoldszahlen von laminarer zu turbulenter Strömung übergehen, wobei der laminar–turbulente Übergangsbereich von kleinen Störpegeln in dem Fluid oder Unvollkommenheiten im Strömungssystem abhängt. Wenn die Reynolds-Zahl sehr klein ist, viel weniger als 1, dann zeigt die Flüssigkeit Stokes oder kriechende Strömung, wobei die viskosen Kräfte der Flüssigkeit die Trägheitskräfte dominieren.

Die spezifische Berechnung der Reynoldszahl und der Werte, bei denen laminare Strömung auftritt, hängt von der Geometrie des Strömungssystems und des Strömungsmusters ab. Das übliche Beispiel ist die Strömung durch ein Rohr, wobei die Reynolds-Zahl definiert ist als

R e = ρ u D H μ = u D H ν = Q D H ν A , {\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={\frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},}

{\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={\frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},}

wobei:

DH der hydraulische Durchmesser des Rohres m); Q ist der Volumenstrom (m3/s); A ist die Querschnittsfläche des Rohres (m2); u ist die mittlere Geschwindigkeit des Fluids (SI-Einheiten: m / s); μ ist die dynamische Viskosität des Fluids (Pa · s = N · s / m2 = kg / (m · s)); ν ist die kinematische Viskosität des Fluids, ν = μ / ρ (m2 / s); ρ ist die Dichte des Fluids (kg / m3). Bei solchen Systemen tritt eine laminare Strömung auf, wenn die Reynoldszahl unter einem kritischen Wert von ungefähr 2.040 liegt, obwohl der Übergangsbereich typischerweise zwischen 1.800 und 2.100 liegt.

Für Fluidsysteme, die an äußeren Oberflächen auftreten, wie z. B. an Objekten vorbeiströmen, die in der Flüssigkeit schweben, können andere Definitionen für Reynolds-Zahlen verwendet werden, um die Art der Strömung um das Objekt vorherzusagen. Die Partikel-Reynolds-Zahl Rep würde beispielsweise für Partikel verwendet, die in strömenden Flüssigkeiten suspendiert sind. Wie bei der Strömung in Rohren tritt die laminare Strömung typischerweise mit niedrigeren Reynolds-Zahlen auf, während turbulente Strömung und verwandte Phänomene wie Wirbelabwurf mit höheren Reynolds-Zahlen auftreten.

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