WEBVTT 00:18.970 --> 00:24.070 Die Faszination für die Strömungsmechanik leitet sich aus zahlreichen 00:24.070 --> 00:26.350 Beispielen in Natur und Technik ab. 00:27.230 --> 00:30.530 Strömungen sind verantwortlich für die meisten Transport- und 00:30.530 --> 00:33.750 Mischungsprozesse, wie sie zum Beispiel beim Transport von 00:33.750 --> 00:37.990 Schadstoffen unserer Umwelt, bei industriellen Prozessen bis hin zu 00:37.990 --> 00:39.730 lebenden Organismen vorkommen. 00:40.530 --> 00:44.390 Die Verbrennung begrenzter fossiler Brennstoffe produziert heute den 00:44.390 --> 00:47.190 größten Teil der elektrischen Energie und Wärmeenergie. 00:47.190 --> 00:52.170 Die Optimierung von Strömungen bei diesen Verbrennungsprozessen dient 00:52.170 --> 00:55.730 der Verringerung des Öl- und Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger 00:55.730 --> 00:57.610 Reduzierung der Schadstoffemission. 00:58.370 --> 01:02.090 Strömungen interessieren beim Antrieb von Flugzeugen, Schiffen und 01:02.090 --> 01:06.710 Kraftfahrzeugen, beim Pumpen von Öl und Gas durch Pipelines, bei der 01:06.710 --> 01:09.470 Herstellung von Materialien und deren Beschichtung. 01:10.310 --> 01:13.670 Sie ermöglichen Leben durch den Transport von Sauerstoff und 01:13.670 --> 01:15.610 Kohlendioxid im Organismus. 01:15.610 --> 01:20.110 Sie sind von Bedeutung beim Bau von widerstandsarmen Kraftfahrzeugen 01:20.110 --> 01:24.010 und Verkehrsflugzeugen, bei der Entwicklung von Trägerraketen und 01:24.010 --> 01:28.050 Raumgleitern für den Transport zur Raumstation, bei der Energie- und 01:28.050 --> 01:32.370 Umwelttechnik, bei der Verfahrens- und Prozestechnik bis hin zur 01:32.370 --> 01:34.790 Simulation ganzer Produktionsanlagen. 01:35.790 --> 01:39.950 Im Bereich des Bauingenieurwesens, in der Physik für die Geo- und 01:39.950 --> 01:44.370 Astrophysik, in der Meteorologie und Klimaforschung bis hin zur 01:44.370 --> 01:48.690 Medizin, wo Innovationen immer häufiger mit der strömungsmechanischen 01:48.690 --> 01:53.190 Optimierung von künstlichen Herzklappen, Herzen und Gefäßprothesen 01:53.190 --> 01:53.750 einhergehen. 02:06.540 --> 02:10.760 Das Wettergeschehen in der Erdatmosphäre ist ein Strömungsbeispiel 02:10.760 --> 02:12.300 unserer natürlichen Umwelt. 02:12.300 --> 02:16.600 Die Strömungen in der Erdatmosphäre sind durch den Wärmeaustausch 02:16.600 --> 02:20.480 zwischen den warmen Äquatorzonen und den kalten Polen gekennzeichnet. 02:21.860 --> 02:25.520 Am Äquator steigt die von der senkrecht stehenden Sonne aufgeheizte 02:25.520 --> 02:29.440 Luft in die Atmosphäre auf und fällt an den kalten Polen ab. 02:30.220 --> 02:34.180 Der Wärmeaustausch zwischen dem Äquator und den Polen erfolgt durch 02:34.180 --> 02:35.360 großräumige Winde. 02:35.360 --> 02:40.440 Diese globale Luftzirkulation bestimmt das großräumige Wetter auf der 02:40.440 --> 02:42.420 Nord - und Südhalbkugel der Erde. 02:43.540 --> 02:47.920 Die stabilsten, großräumigen Windsysteme sind die Passatwinde, die von 02:47.920 --> 02:51.660 der aufsteigenden Luft am Äquator angetrieben werden und zwei 02:51.660 --> 02:56.140 Ringwirbel um den Äquator bilden, deren meridionale Zirkulation 02:56.140 --> 02:57.880 Hadleyzelle genannt wird. 02:57.880 --> 03:02.040 In den mittleren Breiten variiert die Strömung mit der Zeit. 03:02.720 --> 03:06.040 Es bilden sich Hoch- und Tiefdruckgebiete, die mit der West 03:06.040 --> 03:09.540 -Ostluftströmung wieder zerfallen und das Wettergeschehen in der 03:09.540 --> 03:10.600 Atmosphäre bestimmen. 03:11.460 --> 03:15.080 In diesen Breiten ist der Temperaturgradient zwischen dem Äquator und 03:15.080 --> 03:19.560 den Polen am größten, so dass der Energie- und Impulsaustausch nicht 03:19.560 --> 03:23.280 durch ein einfaches Wirbelsystem bewerkstelligt werden kann, wie dies 03:23.280 --> 03:25.080 bei der Hadleyzelle der Fall ist. 03:25.080 --> 03:29.580 Die Strömung wird instabil und der Energie- und Impulstransport 03:29.580 --> 03:32.350 erfolgt über mehrere großräumige Wirbelsysteme. 03:33.780 --> 03:37.220 An den Polen bilden sich entsprechende polare Zellen aus. 03:38.260 --> 03:41.840 Das lokale Gleichgewicht des Drehmoments verlangt zum Ausgleich der 03:41.840 --> 03:46.020 bisher diskutierten Ostwinde die entsprechenden Westwinde, die sich 03:46.020 --> 03:49.000 als Jetströme in der hohen Atmosphäre ausbilden. 03:49.000 --> 03:54.120 Diese verändern ebenfalls von Tag zu Tag ihre Lage und werden von den 03:54.120 --> 03:58.140 Verkehrsflugzeugen als Rückenwind im transatlantischen Luftverkehr 03:58.140 --> 03:58.660 genutzt. 03:59.380 --> 04:03.340 In den späten Sommermonaten heizt sich die Luft am Äquator derart 04:03.340 --> 04:07.100 stark auf, dass die verstärkten Passatwinde innerhalb weniger Tage 04:07.100 --> 04:12.020 Wirbel mit einem Durchmesser von 500 bis 1000 Kilometer und einer 04:12.020 --> 04:15.980 Rotationsgeschwindigkeit bis zu 300 Kilometer pro Stunde bilden. 04:15.980 --> 04:20.580 Diese Hurricanes bewegen sich mit dem Hauptwind der Hadley-Zelle nach 04:20.580 --> 04:24.560 Westen und drehen in größeren Breiten nach Osten, wo sie als 04:24.560 --> 04:26.680 Tiefdruckgebiete Europa erreichen. 04:27.760 --> 04:31.280 Sie erscheinen jährlich am Ende des Sommers mit ihrer zerstörerischen 04:31.280 --> 04:34.840 Wirkung über den karibischen Inseln und rotieren, wie die 04:34.840 --> 04:38.980 Tiefdruckgebiete aufgrund der Coriolis-Kraft auf der Nordhalbkugel 04:38.980 --> 04:40.240 entgegen dem Uhrzeigersinn. 04:40.940 --> 04:45.320 Wir verfolgen die Satellitenaufnahme des Hurricanes Georges und dessen 04:45.320 --> 04:48.360 Bahn über die karibischen Inseln. 04:54.380 --> 04:57.600 Auch starke Scherwinde, zum Beispiel an Gewitterfronten oder 04:57.600 --> 05:01.720 auftriebsbedingte Winde in der Wüste, können kleinskaligere Wirbel 05:01.720 --> 05:02.160 bilden. 05:02.760 --> 05:07.000 Sie sind als Tornados oder Windhosen bekannt, haben einen Durchmesser 05:07.000 --> 05:11.200 von bis zu 500 Meter und eine Lebensdauer von einigen Minuten. 05:19.200 --> 05:22.680 Ein entsprechender Wärmeaustausch zwischen dem warmen Wasser der 05:22.680 --> 05:27.100 Äquatorregionen und dem kalten Wasser der eisbedeckten Pole findet in 05:27.100 --> 05:31.180 den Ozeanen statt, der wiederum Auswirkungen auf das Wettergeschehen 05:31.180 --> 05:32.320 in der Atmosphäre hat. 05:33.040 --> 05:36.620 Die Strömungen in den Ozeanen werden durch die Kontinente begrenzt. 05:37.720 --> 05:41.540 Damit ist eine globale Zirkulation, wie wir sie in der Atmosphäre 05:41.540 --> 05:43.380 diskutiert haben, nicht möglich. 05:43.380 --> 05:47.980 Die Ozeanströmungen werden zum einen von den großräumigen Winden 05:47.980 --> 05:51.640 angetrieben und zum anderen entstehen sie, wie in der Atmosphäre, 05:51.940 --> 05:55.500 durch Konvektionsströmungen, die den Wärmeaustausch zwischen dem 05:55.500 --> 05:57.440 Äquator und den Polen bestimmen. 05:58.460 --> 06:02.120 Die Scherwirkung der von der Hadley-Zelle verursachten Ostwinde 06:02.120 --> 06:07.080 verursacht im Pazifik nördlich des Äquators eine Ostströmung, die vor 06:07.080 --> 06:11.480 Afrika umgelenkt wird und als warme Wasserströmung nach Westen strömt. 06:11.480 --> 06:15.120 Diese teilt sich vor den westindischen Inseln auf. 06:15.780 --> 06:19.960 Ein Teil strömt in den Golf von Mexiko, der zweite Teil strömt entlang 06:19.960 --> 06:20.760 den Bahamas. 06:21.460 --> 06:25.540 Die beiden Teilströme vereinigen sich vor der Küste Floridas und 06:25.540 --> 06:28.840 strömen als warmer Golfstrom entlang der Küste Georgias. 06:30.020 --> 06:32.860 Dieser nordatlantische Golfstrom hat eine hohe 06:32.860 --> 06:36.880 Strömungsgeschwindigkeit an der Wasseroberfläche von drei Meter pro 06:36.880 --> 06:40.180 Sekunde und eine Ausdehnung von 100 Kilometer. 06:40.180 --> 06:45.340 Am Rande des Golfstroms steigt die Wassertemperatur um etwa 10 Kelvin 06:45.340 --> 06:45.740 an. 06:46.500 --> 06:50.820 Der Volumenstrom dieser Warmwasserröhre beträgt beträchtliche 30 06:50.820 --> 06:53.120 Millionen Kubikmeter pro Sekunde. 06:54.040 --> 06:58.380 Dieser mächtige Golfstrom verlässt die Küste Nordamerikas am Cape 06:58.380 --> 07:03.320 Hatteras und strömt ostwärts nach Europa, wo sein warmes Wasser für 07:03.320 --> 07:06.900 das milde Klima an der britischen und norwegischen Küste 07:06.900 --> 07:07.920 verantwortlich ist. 07:07.920 --> 07:13.200 Der zweite Teil des Golfstroms strömt entlang der Küste Nordafrikas 07:13.200 --> 07:17.040 und bildet die großräumige nordequatoriale Zirkulation. 07:18.320 --> 07:21.700 Die kalte Meeresströmung bewegt sich entlang der nord- und 07:21.700 --> 07:25.060 südamerikanischen Küste vom Nordpol zum Äquator. 07:34.110 --> 07:37.950 Auch im Erdinnern sind es Konvektionsströmungen, die den Energie- und 07:37.950 --> 07:42.570 Impulstransport vom heißen Erdkern zum erstarrten Erdmantel bestimmen. 07:42.570 --> 07:47.270 Diese sind für das Erdmagnetfeld und die Drift der Kontinente auf der 07:47.270 --> 07:48.930 Erdoberfläche verantwortlich. 07:49.770 --> 07:53.830 Betrachtet man die Konturen von Südamerika und Afrika, zeigt sich, 07:54.030 --> 07:58.750 dass sie vor etwa 250 Millionen Jahren offensichtlich einen Kontinent 07:58.750 --> 07:59.510 gebildet haben. 08:00.250 --> 08:03.850 Dies wird insbesondere deutlich, wenn man die weißen Landmassen unter 08:03.850 --> 08:04.730 Wasser mit berücksichtigt. 08:04.730 --> 08:09.790 Diese beiden Kontinente driften bis heute in den Scheerschichten der 08:09.790 --> 08:12.570 Konvektionsrollen der Asthenosphäre auseinander. 08:13.630 --> 08:17.350 Die Driftgeschwindigkeit beträgt bis zu 5 cm pro Jahr. 08:18.310 --> 08:21.890 In der Umgebung von Auftriebszonen der Konvektionsrollen in der 08:21.890 --> 08:25.670 Erdmantelschicht wird heißes Magma aus dem Erdinnern an die 08:25.670 --> 08:26.900 Erdoberfläche transportiert. 08:26.900 --> 08:30.260 So entstand der mittelatlantische Rücken. 08:31.000 --> 08:35.200 In den Abtriebszonen wird kaltes Erdkrustenmaterial ins Erdinnere 08:35.200 --> 08:38.680 transportiert, was den Graben im Pazifik zur Folge hat. 08:39.420 --> 08:43.480 Die Drift der südamerikanischen Kontinentalplatte bildet vor dem 08:43.480 --> 08:45.200 Graben das Andengebirge. 08:45.960 --> 08:50.100 Die Größe der Konvektionsrollen in der Erdmantelschicht beträgt etwa 08:50.100 --> 08:51.160 700 Kilometer. 09:00.620 --> 09:05.100 Ganz entsprechende Strömungen beobachten wir auch auf und in den 09:05.100 --> 09:07.880 Planeten unseres Sonnensystems bei veränderter 09:07.880 --> 09:12.200 Rotationsgeschwindigkeit der Planeten und anderer Gaszusammensetzungen 09:12.200 --> 09:13.400 von deren Atmosphäre. 09:14.340 --> 09:18.320 Die Strömungen in den Planetenatmosphären haben die gleiche Ursache 09:18.320 --> 09:19.940 wie die in der Erdatmosphäre. 09:20.800 --> 09:24.640 Der Energie- und Impulsaustausch zwischen dem Äquator und den Polen 09:24.640 --> 09:28.280 erfolgt ebenfalls über großräumige Konvektionsströmungen. 09:28.960 --> 09:32.840 Diese hängen von der Rotationsfrequenz und der jeweiligen Höhe der 09:32.840 --> 09:36.340 Planetenatmosphäre sowie deren Dichteschichtung und chemischen 09:36.340 --> 09:40.940 Zusammensetzung, der Bilanz der Sonneneinstrahlung und deren Reflexion 09:40.940 --> 09:42.860 auf der Planetenoberfläche ab. 09:43.760 --> 09:47.220 Betrachtet man die Jupiter-Atmosphäre, so erkennt man ganz 09:47.220 --> 09:51.640 entsprechende zonale Zellstrukturen, wie wir sie für die Erdatmosphäre 09:51.640 --> 09:52.420 beschrieben haben. 09:52.420 --> 09:57.180 Der Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems, besteht aus 09:57.180 --> 10:01.740 verdichtetem Gas und rotiert 2,4 Mal so schnell wie die Erde. 10:02.720 --> 10:07.240 In größeren Breiten entstehen aufgrund der inneren Aufheizung ovale, 10:07.460 --> 10:11.060 antizyklonische Wirbel, ganz analog den Hurricanes in der 10:11.060 --> 10:11.900 Erdatmosphäre. 10:12.860 --> 10:16.080 Diese wirken in der Jetströmung der Jupiter-Atmosphäre wie 10:16.080 --> 10:20.040 Hindernisse, die im Nachlauf wiederum eine periodische Wirbelbildung 10:20.040 --> 10:20.880 zur Folge haben. 10:20.880 --> 10:26.600 Diese sogenannten roten Flecken haben eine Ausdehnung von bis zu 22 10:26.600 --> 10:29.860 .000 Kilometer und sind bemerkenswert stabil. 10:30.680 --> 10:32.180 Sie zerfallen sehr langsam. 10:32.980 --> 10:37.020 Ihr Durchmesser war vor 100 Jahren etwa doppelt so groß wie heute. 10:47.310 --> 10:50.490 Auch die Granulation der Sonnenoberfläche ist ein Strömungsphänomen. 10:51.480 --> 10:55.290 Wir beobachten wiederum Konvektionszellen mit einem Durchmesser von 10:55.290 --> 10:59.610 etwa 1.000 Kilometer und einer Lebensdauer von einigen Minuten. 11:00.710 --> 11:04.430 Das heiße Plasma der Sonne strömt in den hellen Zonen an die 11:04.430 --> 11:08.490 Sonnenoberfläche und in den dunklen Zellzonen nach entsprechender 11:08.490 --> 11:09.910 Abkühlung nach innen. 11:10.650 --> 11:14.430 Die Plasmaströme in den Zellen sind mit starken Magnetfeldern 11:14.430 --> 11:14.930 verbunden. 11:14.930 --> 11:19.230 Dies tritt insbesondere in der Umgebung von schwarzen Flecken in 11:19.230 --> 11:23.110 Erscheinung, wo sich die Konvektionszellen entlang des radialen 11:23.110 --> 11:26.850 Magnetfeldes zu länglichen Konvektionsrollen formen. 11:35.720 --> 11:38.640 Wir finden Wirbelsysteme auch im Kosmos. 11:39.600 --> 11:43.520 Die Galaxien bestehen aus 100 Billionen einzelnen Sternen. 11:43.520 --> 11:49.320 Unsere Sonne bedurfte etwa 250 Millionen Jahre, um sich einmal um das 11:49.320 --> 11:53.300 Zentrum unseres Milchstraßensystems zu bewegen, dessen Durchmesser 11:53.300 --> 11:56.020 etwa 75.000 Lichtjahre beträgt. 11:56.880 --> 12:01.120 Im Weltall gibt es Billionen solcher rotierender Galaxien, die dadurch 12:01.120 --> 12:05.160 gekennzeichnet sind, dass sie im Wirbelzentrum eine höhere stellare 12:05.160 --> 12:08.840 Konzentration aufweisen, wo neue Sterne entstehen können. 12:16.900 --> 12:21.320 Im Gegensatz zu den vorangegangenen Beispielen von Strömungen in der 12:21.320 --> 12:25.960 Natur befasst sich die Bioströmungsmechanik mit Strömungen, die von 12:25.960 --> 12:29.420 flexiblen biologischen Oberflächen aufgeprägt werden. 12:30.420 --> 12:34.240 Man unterscheidet die Umströmung von Lebewesen in Luft oder im Wasser 12:34.240 --> 12:38.100 wie den Vogelflug oder das Schwimmen der Fische und Innenströmungen 12:38.100 --> 12:41.320 wie den geschlossenen Blutkreislauf von Lebewesen. 12:41.320 --> 12:45.260 Die Evolution hat in den vergangenen Jahrmillionen für die 12:45.260 --> 12:49.460 Fortbewegung der Lebewesen je nach Größe und Gewicht das Kriechen, 12:49.820 --> 12:52.600 Laufen, Schwimmen, Gleiten bzw. 12:53.000 --> 12:53.980 Fliegen entwickelt. 12:54.900 --> 12:58.460 Der für die Ortsveränderung notwendige Vortrieb erfordert eine 12:58.460 --> 12:59.630 angepasste Strömungskontrolle. 13:01.020 --> 13:04.780 Die Fortbewegung von Bakterien und Einzellern erfolgt bei 13:04.780 --> 13:07.620 vorherrschender Reibung mit Wimpern und Geißeln. 13:07.620 --> 13:12.840 Kaulquappen und Kraken nutzen die Trägheitskraft eines Strahlantriebs 13:12.840 --> 13:13.860 zur Fortbewegung. 13:14.700 --> 13:16.580 Aale bewegen sich wellenförmig. 13:17.120 --> 13:20.860 Wale nutzen die Wirbelablösung der Schwanzflosse zum Vortrieb. 13:21.820 --> 13:25.580 Schnell schwimmende Fische wie die Haie weisen Längsrillen auf ihren 13:25.580 --> 13:29.240 Schuppen auf, die die Viskoseunterschicht der Strömungsgrenzschicht 13:29.240 --> 13:33.220 derart beeinflussen, dass der Strömungswiderstand reduziert wird. 13:33.220 --> 13:39.200 Damit erreichen Haie Spitzengeschwindigkeiten bis zu 45 km pro Stunde. 13:40.180 --> 13:44.060 In der Technik werden derartige Längsrillenfolien genutzt, um den 13:44.060 --> 13:48.520 Widerstand von Verkehrsflugzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen bzw. 13:48.880 --> 13:51.140 die Verluste in Pipelines zu verringern. 13:58.780 --> 14:02.660 Das Fliegen ist in der Natur in unterschiedlicher Weise bei den 14:02.660 --> 14:05.660 Insekten, Fledermäusen und Vögeln zu beobachten. 14:06.650 --> 14:10.820 Da die Propellerrotation um eine Achse biologisch nicht möglich ist, 14:11.200 --> 14:15.360 wird der zum Fliegen erforderliche Auftrieb und Vortrieb durch die Hin 14:15.360 --> 14:17.880 - und Herbewegung eines Flügelschlags erreicht. 14:18.760 --> 14:23.000 Der Vortrieb entsteht dadurch, dass der Abwärtsschlag mit großer Kraft 14:23.000 --> 14:27.020 und der Aufwärtsschlag bei möglichst geringem Widerstand ausgeführt 14:27.020 --> 14:27.300 wird. 14:27.300 --> 14:32.260 Den größten Anteil des Vortriebs liefern beim Vogel die äußeren Teile 14:32.260 --> 14:36.060 des Flügels, die den größten Teil der Vertikalbewegung zurücklegen. 14:37.140 --> 14:40.680 Dabei wird die Anstellung verschiedener Profilschnitte des Flügels im 14:40.680 --> 14:44.380 Verlauf einer Schwingungsperiode durch die Deformierung des Flügels 14:44.380 --> 14:44.820 verändert. 14:45.740 --> 14:49.340 Der innere Teil des Flügels erzeugt im Wesentlichen den Auftrieb. 14:49.340 --> 14:54.240 Damit sind die Funktionen des Tragflügels und Antriebpropellers eines 14:54.240 --> 14:57.360 Propellerflugzeuges im Vogelflügel integriert. 14:58.200 --> 15:02.580 Allerdings wird dies damit erkauft, dass sich Auftrieb und Vortrieb im 15:02.580 --> 15:04.240 Verlauf einer Schwingung ändern. 15:05.880 --> 15:10.160 Den damit verbundenen Stabilitätsproblemen wird durch aerodynamische 15:10.160 --> 15:14.040 Kräfte der Schwanzflächen entgegengewirkt, die als horizontales 15:14.040 --> 15:16.500 Steuerruder die Schwingbewegung ausgleichen. 15:16.500 --> 15:22.700 Der größte Wandervogel Albatros erreicht bei einer Spannweite von 3,80 15:22.700 --> 15:27.780 Meter eine Spitzengeschwindigkeit bis zu 110 Kilometer pro Stunde und 15:27.780 --> 15:32.240 eine Gleitzahl, dem Verhältnis von Auftriebskraft zu Widerstandskraft, 15:32.520 --> 15:33.200 von 20. 15:41.140 --> 15:45.920 Die erste erfolgreiche technische Umsetzung des Vogelflugs gelang Otto 15:45.920 --> 15:50.680 Lilienthal 1891 mit seinem manntragenden Gleitflugzeug. 15:50.680 --> 15:54.860 Der vogelähnliche Gleiter besitzt einen starren Flügel mit 15:54.860 --> 15:58.320 integrierten vertikalen und horizontalen Flächen, die für die 15:58.320 --> 15:59.520 Stabilität sorgten. 16:00.620 --> 16:04.500 Die Flugkontrolle des Hanggleiters erfolgte durch Gewichtsverlagerung 16:04.500 --> 16:06.360 des Körpers unter dem Gleiter. 16:07.360 --> 16:11.320 Auch bei den modernen Verkehrsflugzeugen ist es 100 Jahre später bei 16:11.320 --> 16:12.900 den starren Flügeln geblieben. 16:12.900 --> 16:17.680 Der Flügelschlag des Vogels wurde durch Fähntriebwerke ersetzt, die 16:17.680 --> 16:20.840 aufgrund ihrer Größe unter den Tragflächen angebracht sind. 16:21.700 --> 16:26.020 Der Rumpf nimmt die Passagiere auf und die Seiten- und Höhenleitwerke 16:26.020 --> 16:27.140 sorgen für die Flugstabilität. 16:36.810 --> 16:39.070 Damit sind wir bei den technischen Strömungsbeispielen. 16:40.510 --> 16:44.210 Unsere Umwelt ist in vielfältiger Weise von Strömungsphänomenen 16:44.210 --> 16:45.010 gekennzeichnet. 16:45.010 --> 16:49.550 So führt die Optimierung von Strömungen zur Widerstandsverringerung 16:49.550 --> 16:53.950 von Verkehrsflugzeugen, Schienen und Kraftfahrzeugen und damit zu 16:53.950 --> 16:55.310 Kraftstoffeinsparungen. 16:56.210 --> 16:59.950 Sie führt in den Antriebsaggregaten zur Steigerung des Wirkungsgrades 16:59.950 --> 17:02.290 und der Reduktion der Schadstoffemission. 17:03.370 --> 17:07.310 Bei der Herstellung von Materialien aus der Schmelze bestimmt sie die 17:07.310 --> 17:11.350 innere Struktur und damit die Festigkeit und Belastbarkeit des 17:11.350 --> 17:11.990 Materials. 17:11.990 --> 17:16.750 In chemischen Produktionsanlagen und Pipelines verringert die 17:16.750 --> 17:20.730 Optimierung der Strömungen die Verluste und reduziert damit die für 17:20.730 --> 17:24.150 die Herstellung und den Transport der Flüssigkeiten und Gase 17:24.150 --> 17:25.870 erforderliche Pumpleistung. 17:25.870 --> 17:29.930 Bei der Entwicklung der Verkehrs- und Schienenfahrzeuge geht es im 17:29.930 --> 17:33.610 Wesentlichen darum, der Transportgeschwindigkeit angepasste, 17:33.810 --> 17:37.690 widerstandsarme Körperformen zu finden, um den Kraftstoff der 17:37.690 --> 17:39.050 Triebwerke bzw. 17:39.350 --> 17:43.030 die elektrische Leistung der Antriebsmotoren möglichst gering zu 17:43.030 --> 17:43.390 halten. 17:56.130 --> 18:00.750 Die Entwicklung der Verkehrsluftfahrt begann in den 30er Jahren mit 18:00.750 --> 18:02.570 der legendären Ju 52. 18:03.530 --> 18:08.150 Sie transportierte 17 Passagiere mit einer Geschwindigkeit von 250 km 18:08.150 --> 18:11.950 pro Stunde und wurde von drei Kolbenmotoren angetrieben. 18:12.630 --> 18:16.950 Das Bestreben, möglichst schnell von einem Ort zum anderen zu fliegen, 18:17.290 --> 18:21.190 führte zur Entwicklung der Düsentriebwerke, die es heute erlauben, in 18:21.190 --> 18:26.150 einer Höhe von 10 bis 12 Kilometer mit einer Geschwindigkeit von 950 18:26.150 --> 18:27.670 Stundenkilometern zu fliegen. 18:28.370 --> 18:33.450 Die Großraumjets transportieren dabei bis zu 555 Passagiere. 18:34.340 --> 18:38.290 Der erste Vertreter dieser aerodynamisch neuen Generation von 18:38.290 --> 18:41.350 Verkehrsflugzeugen war die Boeing 707. 18:42.330 --> 18:46.090 Die entscheidende aerodynamische Erfindung war dabei der Pfeilflügel 18:46.090 --> 18:50.210 der aerodynamischen Versuchsanstalten in Göttingen in den frühen 40er 18:50.210 --> 18:50.550 Jahren. 18:51.690 --> 18:55.270 Neuere Entwicklungen führten zum sogenannten superkritischen 18:55.270 --> 18:56.530 transsonischen Flügel. 18:56.530 --> 19:01.270 Der jüngste Vertreter der neuen Generation von Verkehrsflugzeugen ist 19:01.270 --> 19:03.150 der Airbus A380. 19:04.150 --> 19:07.550 Dabei ist der Rumpf für den Transport möglichst vieler Passagiere 19:07.550 --> 19:08.430 größer geworden. 19:09.310 --> 19:13.330 Dennoch erreicht man eine erhebliche Treibstoffersparnis gegenüber der 19:13.330 --> 19:14.490 Boeing 707. 19:14.490 --> 19:19.530 Neben der verbesserten Aerodynamik des transsonischen Tragflügels sind 19:19.530 --> 19:23.810 es leichtere Materialien und verbesserte Fertigungstechniken sowie 19:23.810 --> 19:28.890 neue Fantriebwerke und das automatisierte Zwei-Piloten-Cockpit, die zu 19:28.890 --> 19:32.270 dieser Kraftstoffeinsparung und damit zur Reduzierung der 19:32.270 --> 19:36.190 Schadstoffemission durch die Luftfahrt in der hohen Atmosphäre geführt 19:36.190 --> 19:36.530 haben. 19:36.530 --> 19:41.710 Die Fantriebwerke haben gegenüber den ursprünglichen Düsentriebwerken 19:41.710 --> 19:44.130 einen deutlich größeren Durchmesser. 19:44.970 --> 19:49.370 Ein Teil der vom Fan verdichteten, kalten Luft wird am heißen 19:49.370 --> 19:52.210 Antriebsstrahl als Luftmantel vorbeigeführt. 19:52.930 --> 19:56.790 Dies hat den zusätzlichen Nutzeffekt, dass die Schallabstrahlung der 19:56.790 --> 20:00.690 Düsentriebwerke bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades 20:00.690 --> 20:02.910 deutlich reduziert werden konnte. 20:10.390 --> 20:14.750 Bei den Schienenfahrzeugen ist eine ganz entsprechende aerodynamische 20:14.750 --> 20:16.970 Entwicklung über die Jahrzehnte zu beobachten. 20:18.010 --> 20:21.970 Da der Leistungsaufwand mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit und 20:21.970 --> 20:25.350 der Widerstand eines Fahrzeuges quadratisch mit der Geschwindigkeit 20:25.350 --> 20:28.930 wächst, ergibt sich bei Reisegeschwindigkeiten über 100 20:28.930 --> 20:33.070 Stundenkilometern die Notwendigkeit, die aerodynamische Formgebung 20:33.070 --> 20:34.530 entsprechend anzupassen. 20:34.530 --> 20:38.410 Während bei den herkömmlichen Dampflokomotiven die 20:38.410 --> 20:42.790 Strömungsoptimierung lediglich mit seitlichen Windabweisern den Dampf 20:42.790 --> 20:47.330 vom Führerhaus fernhält, wurde bei den IC-Zügen eine widerstandsarme 20:47.330 --> 20:51.650 Formgebung der Lokomotive und Luftabweisern im Bereich der Räder der 20:51.650 --> 20:54.670 Fahrgastwagen in ersten Ansätzen verwirklicht. 20:54.670 --> 20:59.950 Erst beim ICE-3, der eine Reisegeschwindigkeit von bis zu 330 20:59.950 --> 21:04.250 Stundenkilometern erreicht, wurde eine konsequente aerodynamische 21:04.250 --> 21:08.410 Formgebung technisch umgesetzt, wenngleich auch hier zum Beispiel die 21:08.410 --> 21:11.810 Stromabnehmer einer aerodynamischen Verkleidung bedürften. 21:12.630 --> 21:15.730 Auch bei den Schienenfahrzeugen ist die strömungsmechanische 21:15.730 --> 21:17.450 Entwicklung noch nicht am Ende. 21:18.190 --> 21:22.590 Derzeit sind Projekte in Röhren mit Reisegeschwindigkeiten bis zu 500 21:22.590 --> 21:24.750 Kilometer pro Stunde in der Planung. 21:31.840 --> 21:36.760 Die widerstandsarme aerodynamische Formgebung eines Kraftfahrzeuges 21:36.760 --> 21:40.080 wurde bereits 1938 technisch gelöst. 21:41.480 --> 21:45.080 Der für das Erreichen des Geschwindigkeitsweltrekordes auf der Straße 21:45.080 --> 21:49.700 von Mercedes-Benz 1937 gebaute Rennwagen erreichte einen 21:49.700 --> 21:52.860 Widerstandsbeiwert von 0,365. 21:55.660 --> 21:59.840 Mit der Versenkung des Fahrers in den Rennwagen und der Verkleidung 21:59.840 --> 22:03.800 der Räder wurde ein Stromlinienkörper verwirklicht, der mit einer 22:03.800 --> 22:08.020 drastischen Widerstandsreduzierung auf 0,17 einherging. 22:09.180 --> 22:13.340 Der mit einem Stromlinienkörper bestenfalls erreichbare aerodynamische 22:13.340 --> 22:15.440 Wert beträgt 0,12. 22:16.800 --> 22:20.820 Wirklich berücksichtigt wurde diese Erkenntnis bei Straßenfahrzeugen 22:20.820 --> 22:24.540 jedoch erst in den 80er Jahren, nachdem das Bewusstsein der 22:24.540 --> 22:28.460 erforderlichen Kraftstoffeinsparung durch die Ölkrise geweckt wurde. 22:29.420 --> 22:33.180 Heute hat sich die Kraftfahrzeugindustrie auf einen Kompromiss des 22:33.180 --> 22:39.020 Widerstandsbeiwertes von etwa 0,26 eingestellt, der es gegenüber dem 22:39.020 --> 22:43.220 Stromlinienkörper erlaubt, einen komfortablen Fahrgastraum mit dem 22:43.220 --> 22:45.780 erforderlichen Rundumblick zu realisieren. 22:52.130 --> 22:55.910 Die Raumfahrt hat sich mit dem Transport von Satelliten und 22:55.910 --> 22:59.730 Raumstationen in den erdnahen Orbit in den letzten Jahrzehnten 22:59.730 --> 23:00.470 etabliert. 23:00.470 --> 23:05.690 Mit dem Bau der neuen Raumstation ISS und dem größer werdenden Bedarf 23:05.690 --> 23:09.890 geostationärer Satelliten in der Erdumlaufbahn wird die Entwicklung 23:09.890 --> 23:13.870 wiederverwendbarer Orbitaltransport- und Rückkehrsysteme immer 23:13.870 --> 23:14.610 notwendiger. 23:15.750 --> 23:21.190 Die historische Entwicklung des Orbitaltransports begann 1949 mit dem 23:21.190 --> 23:24.510 Start der ersten zweistufigen V2-Rakete. 23:24.510 --> 23:29.790 Bei der Rückkehr der zweiten Stufe in die Erdatmosphäre wurde erstmals 23:29.790 --> 23:33.350 in der Geschichte der Luft- und Raumfahrt die Machtzahl 5 23:33.350 --> 23:33.730 überschritten. 23:34.870 --> 23:38.970 Ein Meilenstein der weiteren Entwicklung des Orbitaltransports war das 23:38.970 --> 23:43.330 teilweise wiederverwendbare Orbitaltransportsystem Space Shuttle in 23:43.330 --> 23:46.510 den 70er Jahren, das bis heute im Einsatz ist. 23:46.510 --> 23:51.010 Die für den Start erforderlichen Feststoff-Raketenbooster werden 23:51.010 --> 23:51.850 wieder geborgen. 23:52.510 --> 23:56.210 Der Orbiter landet nach seiner Mission in einer erdnahen Umlaufbahn 23:56.210 --> 23:56.990 auf der Erde. 23:57.850 --> 24:01.350 Lediglich der Treibstofftank geht nach jedem Start verloren. 24:02.350 --> 24:08.110 Nachdem 1949 die Raketenspitze der zweiten Stufe der V2 bei ihrem 24:08.110 --> 24:12.290 ballistischen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre aus 390 Kilometern 24:12.290 --> 24:17.830 Höhe verglühte, folgte 1961 der erste bemannte Wiedereintritt in die 24:17.830 --> 24:20.550 Erdatmosphäre mit einer Wiedereintrittskapsel. 24:20.550 --> 24:25.550 Beim Abbremsen der Kapsel in der Erdatmosphäre wurden Machtzahlen über 24:25.550 --> 24:26.890 25 erreicht. 24:27.630 --> 24:32.550 Das Gas vor der Kapsel wurde dabei über 10.000 Kelvin heiß, sodass die 24:32.550 --> 24:35.750 Wiedereintrittskapsel vor dem Verglühen durch ein Hitzeschild 24:35.750 --> 24:36.870 geschützt werden musste. 24:36.870 --> 24:40.770 Es haben sich in der frühen Phase der Wiedereintrittstechnologie 24:40.770 --> 24:44.850 Applationshitzeschilder aus beispielsweise faserverstärkten 24:44.850 --> 24:47.390 Kunstharzen als Hitzeschutz bewährt. 24:48.150 --> 24:51.670 Dabei wird die teilweise Zerstörung der äußeren Wandschicht durch 24:51.670 --> 24:56.410 chemische Reaktionen, Sublimation, Verdunsten oder auch Schmelzfluss 24:56.410 --> 24:57.890 für die Wärmeabfuhr genutzt. 24:58.770 --> 25:02.270 Nach jedem Wiedereintritt muss das Hitzeschild der Kapsel ersetzt 25:02.270 --> 25:02.610 werden. 25:02.610 --> 25:06.310 Erst in jüngster Zeit sind neue hitzebeständige 25:06.310 --> 25:09.990 Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe entwickelt worden, die mit einem 25:09.990 --> 25:13.750 entsprechenden Oxidationsschutz ein wiederverwendbares Hitzeschild 25:13.750 --> 25:14.510 möglich machen. 25:15.290 --> 25:19.450 Ein erster Ansatz eines wiederverwendbaren Hitzeschutzes wurde bereits 25:19.450 --> 25:22.030 beim Space Shuttle mit Kacheln realisiert. 25:30.170 --> 25:33.070 Mehrphasenströmungen sind die am häufigsten auftretenden 25:33.070 --> 25:35.330 Strömungsformen in Natur und Technik. 25:35.330 --> 25:40.050 Dabei ist der Begriff Phase im thermodynamischen Sinne als einer der 25:40.050 --> 25:45.290 Aggregatszustände fest, flüssig und gasförmig zu verstehen, die in ein 25:45.290 --> 25:48.890 - oder mehrkomponentigen Stoffsystemen simultan auftreten können. 25:49.830 --> 25:54.090 Die mit Regentropfen und Hagelkörnern driftenden Gewitterwolken, der 25:54.090 --> 25:58.370 schäumende Gebirgsbach, die abgehende Schneestaublawine oder die 25:58.370 --> 26:01.870 Vulkanaschewolke sind eindrucksvolle Beispiele für 26:01.870 --> 26:03.870 Mehrphasenströmungen in der Natur. 26:03.870 --> 26:08.130 In der Kraftwerks- und chemischen Verfahrenstechnik sind 26:08.130 --> 26:11.510 Mehrphasenströmungen ein entscheidendes Mittel für Wärme- und 26:11.510 --> 26:11.970 Stofftransport. 26:13.130 --> 26:16.810 Zwei Phasenströmungen bestimmen das Geschehen in den Dampferzeugern, 26:17.130 --> 26:20.170 Kondensatoren und Kühltürmen von Dampfkraftwerken. 26:20.810 --> 26:24.630 Mehrphasen-Mehrkomponentenströmungen werden bei der Gewinnung, dem 26:24.630 --> 26:28.850 Transport und der Verarbeitung von Erdöl und Erdgas eingesetzt. 26:28.850 --> 26:33.030 Bei Destillations- und Rektifikationsprozessen der chemischen 26:33.030 --> 26:37.330 Industrie sind diese Strömungsarten ebenso maßgeblich beteiligt. 26:38.030 --> 26:41.850 Sie treten auch als Kavitationserscheinungen in Wasserkraftturbinen 26:41.850 --> 26:42.230 auf. 26:43.210 --> 26:46.850 Bereits beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre haben wir ein erstes 26:46.850 --> 26:49.950 Beispiel einer Strömung mit chemischen Reaktionen der Luft 26:49.950 --> 26:50.770 kennengelernt. 26:51.550 --> 26:54.970 Strömungen mit Verbrennung werden technisch genutzt für den Antrieb 26:54.970 --> 26:57.730 von Flugzeugen, Schiffen und Kraftfahrzeugen. 26:57.730 --> 27:02.270 Die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt den größten Teil der 27:02.270 --> 27:04.230 elektrischen und Wärmeenergie. 27:05.190 --> 27:08.290 Die Optimierung der Strömungen bei diesen Verbrennungsprozessen 27:08.290 --> 27:11.930 ermöglicht die Verringerung des Kraftstoffverbrauches sowie die 27:11.930 --> 27:14.090 Reduzierung der Schadstoffemissionen. 27:15.070 --> 27:18.770 Turbulente Verbrennungsprozesse sind durch ein breites Spektrum von 27:18.770 --> 27:21.010 Zeit - und Längenskalen charakterisiert. 27:21.010 --> 27:25.830 Die typischen Längenskalen der Turbulenz reichen von der Ausdehnung 27:25.830 --> 27:30.050 der Verbrennungskammer bis hinunter zu den kleinsten Wirbeln, in denen 27:30.050 --> 27:33.230 turbulente, kinetische Energie dissipiert wird. 27:34.070 --> 27:37.730 So zeigt die Verbrennungsfront einer Flamme abgeschlossene Bereiche 27:37.730 --> 27:40.710 von Frischgas, die in das Abgas eindringen. 27:40.710 --> 27:45.110 Dieser transiente Prozess kann mittels der direkten numerischen 27:45.110 --> 27:49.390 Simulation zeitlich aufgelöst untersucht werden und ist für die 27:49.390 --> 27:53.250 Bestimmung des Gültigkeitsbereiches bestehender sowie die Entwicklung 27:53.250 --> 27:56.710 neuer Modelle zur Beschreibung der turbulenten Verbrennung von 27:56.710 --> 27:57.310 Bedeutung. 28:04.540 --> 28:09.420 Ein neues Anwendungsspektrum von biologischen Strömungen bietet die 28:09.420 --> 28:09.940 Medizintechnik. 28:09.940 --> 28:15.260 Der Wärme- und Stofftransport in Lebewesen erfolgt in Kreisläufen. 28:16.020 --> 28:19.740 Dazu gehören die Atmung, der Blut- und Lymphkreislauf sowie der 28:19.740 --> 28:20.210 Wasserhaushalt. 28:21.380 --> 28:25.680 Allen biologisch bedingten Strömungen ist gemeinsam, dass die Bewegung 28:25.680 --> 28:26.980 von äußeren bzw. 28:27.300 --> 28:31.540 inneren, hochflexiblen und strukturierten Oberflächen aufgeprägt wird. 28:32.340 --> 28:36.560 Daraus resultiert eine aktiv kontrollierte Strömung, deren Verluste 28:36.560 --> 28:37.880 gering gehalten werden. 28:37.880 --> 28:41.700 Von der Vielzahl biologischer Strömungen wählen wir die 28:41.700 --> 28:44.380 Blutzirkulation im menschlichen Körper aus. 28:45.200 --> 28:48.980 Herz-Kreislauf-Erkrankungen gehören mit zu den häufigsten Erkrankungen 28:48.980 --> 28:50.180 der modernen Zivilisation. 28:51.420 --> 28:55.340 Ablagerungen in Arterienverzweigungen und an Herzklappen sowie 28:55.340 --> 28:59.480 Vernarbungen des Herzmuskels durch einen Herzinfarkt verändern das 28:59.480 --> 29:03.200 pulsierende Strömungsverhalten im Herzen- und im Blutkreislauf. 29:04.320 --> 29:07.660 Überschreiten die Strömungsverluste einen lebensbedrohlichen, 29:07.900 --> 29:10.450 kritischen Wert, ist eine Operation unausweichlich. 29:12.180 --> 29:16.120 Um die Strömungsverluste im erkrankten Herzen vor und nach der 29:16.120 --> 29:21.400 Operation vorhersagen zu können, wurde das virtuelle Herz CAMO, das 29:21.400 --> 29:23.440 Karlsruher Heart Model, entwickelt. 29:24.440 --> 29:28.880 Das Herz pumpt in jeder Minute etwa 5 Liter Blut in den Kreislauf. 29:29.520 --> 29:33.860 Die Pumpleistung kann sich bei körperlicher Belastung auf 20 bis 30 29:33.860 --> 29:35.440 Liter pro Minute erhöhen. 29:36.500 --> 29:40.360 Der Blutkreislauf besteht aus zwei getrennten, über das Herz 29:40.360 --> 29:42.800 untereinander verbundenen Teilkreisläufen. 29:43.780 --> 29:47.840 Man bezeichnet den einen als Körperkreislauf und den anderen als 29:47.840 --> 29:48.860 Lungenkreislauf. 29:48.860 --> 29:53.700 Der Gesamtkreislauf sichert den Gasaustausch zwischen dem Stoffwechsel 29:53.700 --> 29:56.760 im menschlichen Gewebe und der Luft der Atmosphäre. 29:58.220 --> 30:01.960 Das Herz besteht aus zwei getrennten Pumpkammern, dem linken und 30:01.960 --> 30:03.020 rechten Ventrikel. 30:06.030 --> 30:09.990 Der rechte Ventrikel füllt sich mit sauerstoffarmen Blut aus dem 30:09.990 --> 30:13.970 Körperkreislauf, um sich bei seiner Kontraktion in den Lungenkreislauf 30:13.970 --> 30:14.710 zu entleeren. 30:15.810 --> 30:20.690 Das in der Lunge reoxygenierte Blut wird vom linken Ventrikel in den 30:20.690 --> 30:22.090 Körperkreislauf befördert. 30:24.350 --> 30:29.230 Die Ventrikel durchlaufen während der Herzzyklen eine periodische 30:29.230 --> 30:33.490 Kontraktion und Relaxation, die den pulsierenden Blutstrom im 30:33.490 --> 30:35.070 Körperkreislauf sicherstellt. 30:35.990 --> 30:39.270 Dieser Pumpzyklus geht mit Änderungen des Ventrikel- und 30:39.270 --> 30:40.690 Arteriendrucks einher. 30:40.690 --> 30:45.550 Die jeweilige Druckdifferenz sorgt für das druckgesteuerte Öffnen und 30:45.550 --> 30:46.730 Schließen der Herzklappen. 30:47.850 --> 30:51.230 Beim gesunden Herzen ist die pulsierende Strömung laminar und 30:51.230 --> 30:52.030 ablösefrei. 30:53.170 --> 30:57.750 Defekte des Pumpverhaltens des Herzens und Herzinsuffizienzen führen 30:57.750 --> 31:01.470 zu turbulenten Strömungsbereichen und Rückströmungen in den 31:01.470 --> 31:05.030 Ventrikeln, die die Strömungsverluste im Herzen erhöhen. 31:05.030 --> 31:10.290 Das virtuelle CAMO-Herzmodell besteht aus dem linken Herzventrikel, 31:10.670 --> 31:13.670 der Mitral- und Aortenklappe sowie der Aorta. 31:14.950 --> 31:19.230 Die Ergebnisse der Strömungsberechnung im Herzmodell des gesunden bzw. 31:19.530 --> 31:23.050 erkrankten menschlichen Herzens können über die quantitative 31:23.050 --> 31:27.690 Bestimmung der Strömungsverluste dem Herzchirurgen wichtige Hinweise 31:27.690 --> 31:30.590 über die zu wählenden chirurgischen Eingriffe geben. 31:30.590 --> 31:35.950 So wird das beschriebene Herzmodell im Rahmen einer Studie für die 31:35.950 --> 31:39.710 Bestimmung quantitativer Kriterien der Herzchirurgie eingesetzt. 31:40.530 --> 31:44.510 Die parametrisierte Darstellung des Herzgeometrie-Modells ermöglicht 31:44.510 --> 31:48.750 im klinischen Einsatz die Anpassung des Modells an die tomografischen 31:48.750 --> 31:52.290 Magnetspinresonanzdaten vor und nach der Operation. 31:57.750 --> 32:01.910 Die Strömungsbeispiele aus Natur und Technik lassen sich fortsetzen. 32:02.650 --> 32:06.390 Die gezeigten Beispiele dienen der Einstimmung in die Vielfalt der 32:06.390 --> 32:08.210 strömungsmechanischen Anwendungen. 32:08.850 --> 32:13.050 Die Faszination, die die Beispiele in Natur und Technik auslösen, 32:13.410 --> 32:16.810 machen es lohnenswert, sich in Lehre und Forschung mit der 32:16.810 --> 32:21.250 Strömungsmechanik auseinanderzusetzen und deren praktische Anwendung 32:21.250 --> 32:24.190 in Industrieprojekten weiter zu entwickeln.