Was ist turbulenzen?

Turbulenzen

Turbulenzen sind ein Phänomen in der Strömungsmechanik, das durch chaotische, unregelmäßige Bewegungen von Flüssigkeiten oder Gasen (Fluiden) gekennzeichnet ist. Im Gegensatz zur laminaren Strömung, die durch glatte, geordnete Schichten gekennzeichnet ist, ist die turbulente Strömung durch Wirbel, Strudel und starke Schwankungen der Geschwindigkeit und des Drucks gekennzeichnet.

Eigenschaften:

• Unregelmäßigkeit: Turbulente Strömungen sind hochgradig unregelmäßig und unvorhersagbar.
• Diffusivität: Turbulenzen erhöhen die Vermischung von Fluiden und den Transport von Wärme, Impuls und Stoffen erheblich.
• Rotation: Die Strömung ist durch zahlreiche Wirbel und Strudel unterschiedlicher Größe gekennzeichnet.
• Dissipation: Turbulente Energie wird durch Viskosität in Wärme umgewandelt.
• Dreidimensionalität: Turbulenzen sind in der Regel dreidimensional.

Ursachen:

Turbulenzen entstehen typischerweise, wenn die Trägheitskräfte in einem Fluid die viskosen Kräfte überwinden. Dies wird durch die dimensionslose Reynolds-Zahl quantifiziert. Eine hohe Reynolds-Zahl deutet auf turbulente Strömung hin.

Bedeutung:

Turbulenzen spielen eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik, unter anderem in:

• Aerodynamik: Turbulenzen beeinflussen den Luftwiderstand von Flugzeugen und anderen Flugkörpern.
• Meteorologie: Turbulenzen tragen zur Durchmischung der Atmosphäre und zur Entstehung von Wind bei.
• Hydraulik: Turbulenzen beeinflussen den Fluss von Wasser in Flüssen und Kanälen.
• Verbrennung: Turbulenzen fördern die Vermischung von Brennstoff und Luft in Verbrennungsmotoren.
• Chemietechnik: Turbulenzen verbessern die Mischung in Reaktoren.

Modellierung und Simulation:

Die genaue Simulation von Turbulenzen ist eine große Herausforderung, da sie extrem rechenintensiv ist. Es gibt verschiedene Ansätze zur Modellierung von Turbulenzen, darunter:

• Direct Numerical Simulation (DNS): Löst die Navier-Stokes-Gleichungen direkt auf, erfordert aber extrem feine Gitter und hohe Rechenleistung.
• Large Eddy Simulation (LES): Simuliert die großen Wirbel direkt und modelliert die kleinen Wirbel.
• Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS): Löst zeitlich gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen und verwendet Turbulenzmodelle, um die Auswirkungen der Turbulenzen zu berücksichtigen. Häufigste Methode für industrielle Anwendungen.

Turbulenzmodelle:

Es existiert eine Vielzahl von Turbulenzmodellen, die in RANS-Simulationen verwendet werden, beispielsweise das k-epsilon Modell, das k-omega Modell und Reynolds-Spannungsmodelle. Die Wahl des geeigneten Modells hängt von der jeweiligen Anwendung ab.