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Grundwissen

Übersicht über die Strömungslehre

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die Strömungslehre beschäftigt sich mit der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen.
  • Dabei unterscheidet man die Bewegung von Flüssigkeiten (Hydrodynamik) und die von Gasen (Aerodynamik).
  • Die Strömungslehre hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Alltag.
Airbus S. Ramadier
Abb. 1 Strömungsmechanik in Vollendung: Der A380.

Die Strömungslehre ist die Wissenschaft vom Verhalten von Strömungen. Als Strömung bezeichnen wir die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen, sogenannten Fluiden. Der wesentliche Unterschied von Flüssigkeiten und Gasen ist, dass Flüssigkeiten nicht komprimierbar sind, Gase dagegen schon. Dieser Unterschied wird später noch eine Rolle spielen.

Strömungen sind ein ganz alltäglicher Bestandteil unseres Lebens: wir spüren den Wind, wir beobachten einen Fluss, wir sehen wie das Wasser aus dem Hahn fließt. Wir duschen uns, wir föhnen uns. Beim Fahrradfahren spüren wir den Fahrtwind. Und wir spüren die große Kraft des Fahrtwindes, wenn er uns entgegen bläst. Wir sehen die Vögel und Flugzeuge am Himmel, die die Kraft der Strömung um ihre Flügel nutzen, um zu fliegen.

Viele Strömungen, die wir gar nicht sehen, sind für unser modernes Leben unverzichtbar: nahezu jedes Kraftwerk, von dem wir Strom bekommen, nutzt Turbinen, die durch Strömungen angetrieben werden. Ohne die Pumpen, die die Heizungsanlagen unserer Häuser betreiben, wäre ein strenger Winter schwer durchzustehen. Nicht vergessen sollten wir natürlich, dass wir nur durch das strömende Blut in uns leben können.

Das sind alles ganz unterschiedliche Strömungen und Strömungsvorgänge, trotzdem können wir mit einfachen mathematischen Modellen viele Strömungsphänomene gut beschrieben. Komplizierte Strömungen untersucht man experimentell in Strömungskanälen. Computer-Simulationen werden bei der Untersuchung von Strömungen immer wichtiger und genauer. Von solchen Simulations-Modellen können wir fast täglich neues erfahren, wenn wir in den Zeitungen über den Klimawandel lesen.

Volkswagen AG
Abb. 2 Vermessung eines Autos im Strömungskanal

Umfassender als der Begriff Strömungslehre ist der Begriff Fluidmechanik. Die Fluidmechanik ist die Lehre von den Kräften, die von unbewegten (Fluidstatik) oder bewegten Fluiden (Fluiddynamik) erzeugt werden.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Fluiddynamik sind sehr weitläufig. Denn nicht nur Flüssigkeiten und Gase können mit Hilfe der Fluidmechanik beschrieben werden, sondern auch das Verhalten von Sand, Schüttgut, dem Verkehrsgeschehen, von Menschenmengen oder sogar Finanzströme. Viele praktische, technische Anwendungen können also mit der Fluiddynamik verstanden und beschrieben werden. Eine Vertiefung des Wissens um die Fluiddynamik lohnt durchaus.

Eine grobe Einteilung der Fluidmechanik und technische Anwendungsbeispiele der einzelnen Teilgebiete sieht man in Abb. 3.

CC-BY-NC 4.0 Benedikt Flurl / Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Übersicht über die Fluidmechanik

Die Fluidstatik beschreibt die Kräfte, die von unbewegten Fluiden hervorgerufen werden. Wichtig kann das für die Auslegung von Behältern sein, die große Mengen von Flüssigkeiten speichern. Ein weiteres Beispiel ist die Dimensionierung der großen Staumauern von Wasserkraftwerken, die enormen Kräfte durch die aufgestauten Wassermassen ausgesetzt sind.

Die Fluiddynamik teilt sich auf in die Hydrodynamik und die Aerodynamik.

Die Hydrodynamik beschreibt bewegte Flüssigkeiten. Wichtige technische Anwendungen der Hydrodynamik sind Wasserturbinen, Wasserpumpen, Schiffspropeller, hydrodynamische Wandler und Kupplungen.

Die Aerodynamik beschreibt strömende Gase. Auch strömende Gase können bis zu einem gewissen Geschwindigkeitsbereich als inkompressibel betrachtet werden. Dieser Geschwindigkeitsbereich wird durch die Mach-Zahl begrenzt. Sie ist nach dem österreichischen Physiker Ernst MACH (1838 - 1916) benannt und setzt die lokale Strömungsgeschwindigkeit ins Verhältnis zur lokalen Schallgeschwindigkeit. Mach-Zahl 1 bedeutet also, dass die Strömung genau die Schallgeschwindigkeit erreicht. Bis zu einer Mach-Zahl 0,3 kann man Gase inkompressibel betrachten. Wichtige technische Anwendungen der Aerodynamik sind Gasturbinen und Dampfturbinen in der Kraftwerkstechnik, Turbolader in Kraftfahrzeugen, Flugzeugtriebwerke oder die Umströmung von Flugzeugen.

Im nächsten Artikel werden wir zunächst überlegen, mit welchen physikalischen Größen Fluide beschrieben werden können. Wir werden dann einige grundlegende Fragestellung der Fluidstatik beantworten. Danach beschäftigen wir uns mit der Fluiddynamik. Wir werden mit diesem Wissen dann viele praktische, technische Anwendungen verstehen.