Grundlagen der Strömungsmechanik: Systeme und Strömungsarten

Bezugssysteme in der Strömungsmechanik

Bezugssysteme sind je nach Bedarf zu wählen, wenn wir die Bewegung eines Fluids analysieren wollen:

• Inertialsysteme: Dies sind Systeme, in denen das Bezugssystem fix (an den Boden gebunden) ist oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Hier gelten die Newtonschen Gesetze.
• Nicht-Inertialsysteme: Hier ist das Bezugssystem mobil (mit dem Körper verbunden) und kann beschleunigt sein. In diesem Fall müssen wir Trägheitskräfte berücksichtigen. Auch hier gelten die Newtonschen Gesetze.

Das erste Newtonsche Gesetz

Wenn keine Kraft auf einen Körper wirkt oder keine Kraft vorhanden ist, die ihn ausgleicht, verharrt der Körper in Ruhe oder in gleichförmiger Bewegung (a = 0).

Euler- und Lagrange-Beschreibung

• Lagrange-Beschreibung: Hierbei wird jedes Fluidpartikel identifiziert und seine Bewegung in Abhängigkeit von der Zeit untersucht: r = r(V, t).
• Euler-Beschreibung: Hierbei wird das Fluidfeld an festen Punkten im Raum zu verschiedenen Zeiten betrachtet. Es wird beschrieben, was mit jedem Partikel zu einem bestimmten Zeitpunkt an einer bestimmten Position geschieht: v = v(x, t). Diese Beschreibung hängt von Zeit und Ort ab.

Art der Strömung

Strömungen können als extern oder intern, kompressibel oder inkompressibel, viskos oder nicht-viskos sowie als laminar oder turbulent klassifiziert werden.

Laminare und turbulente Strömung

• Laminare Strömung: Es findet keine mikroskopische Vermischung benachbarter Schichten statt. Die Bewegung erfolgt in kontinuierlichen Schichten oder Blättern.
• Turbulente Strömung: Gekennzeichnet durch dreidimensionale, chaotische und ungeordnete Bewegungen, bei denen sich die Bahnen ständig kreuzen. Dies führt zu einem starken Austausch von Impuls und Energie und somit zu einer größeren Homogenisierung.

Stationäre und uniforme Strömung

• Stationär: Eine Strömung ist stationär, wenn sich die Fluidgrößen nicht mit der Zeit ändern. Andernfalls spricht man von einer nicht-stationären oder instationären Strömung. Beispiel: Eine stationäre Bewegung liegt vor, wenn sich die Geschwindigkeitsprofile von Augenblick zu Augenblick nicht verändern.
• Uniform: Eine Strömung ist uniform, wenn sich die Fluidgrößen an allen Punkten des betrachteten Bereichs nicht in Bezug auf den Ort ändern.