Die Faszination für die Strömungsmechanik leitet sich aus zahlreichen
Beispielen in Natur und Technik ab.
Strömungen sind verantwortlich für die meisten Transport- und
Mischungsprozesse, wie sie zum Beispiel beim Transport von
Schadstoffen unserer Umwelt, bei industriellen Prozessen bis hin zu
lebenden Organismen vorkommen.
Die Verbrennung begrenzter fossiler Brennstoffe produziert heute den
größten Teil der elektrischen Energie und Wärmeenergie.
Die Optimierung von Strömungen bei diesen Verbrennungsprozessen dient
der Verringerung des Öl- und Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger
Reduzierung der Schadstoffemission.
Strömungen interessieren beim Antrieb von Flugzeugen, Schiffen und
Kraftfahrzeugen, beim Pumpen von Öl und Gas durch Pipelines, bei der
Herstellung von Materialien und deren Beschichtung.
Sie ermöglichen Leben durch den Transport von Sauerstoff und
Kohlendioxid im Organismus.
Sie sind von Bedeutung beim Bau von widerstandsarmen Kraftfahrzeugen
und Verkehrsflugzeugen, bei der Entwicklung von Trägerraketen und
Raumgleitern für den Transport zur Raumstation, bei der Energie- und
Umwelttechnik, bei der Verfahrens- und Prozestechnik bis hin zur
Simulation ganzer Produktionsanlagen.
Im Bereich des Bauingenieurwesens, in der Physik für die Geo- und
Astrophysik, in der Meteorologie und Klimaforschung bis hin zur
Medizin, wo Innovationen immer häufiger mit der strömungsmechanischen
Optimierung von künstlichen Herzklappen, Herzen und Gefäßprothesen
einhergehen.
Das Wettergeschehen in der Erdatmosphäre ist ein Strömungsbeispiel
unserer natürlichen Umwelt.
Die Strömungen in der Erdatmosphäre sind durch den Wärmeaustausch
zwischen den warmen Äquatorzonen und den kalten Polen gekennzeichnet.
Am Äquator steigt die von der senkrecht stehenden Sonne aufgeheizte
Luft in die Atmosphäre auf und fällt an den kalten Polen ab.
Der Wärmeaustausch zwischen dem Äquator und den Polen erfolgt durch
großräumige Winde.
Diese globale Luftzirkulation bestimmt das großräumige Wetter auf der
Nord - und Südhalbkugel der Erde.
Die stabilsten, großräumigen Windsysteme sind die Passatwinde, die von
der aufsteigenden Luft am Äquator angetrieben werden und zwei
Ringwirbel um den Äquator bilden, deren meridionale Zirkulation
Hadleyzelle genannt wird.
In den mittleren Breiten variiert die Strömung mit der Zeit.
Es bilden sich Hoch- und Tiefdruckgebiete, die mit der West
-Ostluftströmung wieder zerfallen und das Wettergeschehen in der
Atmosphäre bestimmen.
In diesen Breiten ist der Temperaturgradient zwischen dem Äquator und
den Polen am größten, so dass der Energie- und Impulsaustausch nicht
durch ein einfaches Wirbelsystem bewerkstelligt werden kann, wie dies
bei der Hadleyzelle der Fall ist.
Die Strömung wird instabil und der Energie- und Impulstransport
erfolgt über mehrere großräumige Wirbelsysteme.
An den Polen bilden sich entsprechende polare Zellen aus.
Das lokale Gleichgewicht des Drehmoments verlangt zum Ausgleich der
bisher diskutierten Ostwinde die entsprechenden Westwinde, die sich
als Jetströme in der hohen Atmosphäre ausbilden.
Diese verändern ebenfalls von Tag zu Tag ihre Lage und werden von den
Verkehrsflugzeugen als Rückenwind im transatlantischen Luftverkehr
genutzt.
In den späten Sommermonaten heizt sich die Luft am Äquator derart
stark auf, dass die verstärkten Passatwinde innerhalb weniger Tage
Wirbel mit einem Durchmesser von 500 bis 1000 Kilometer und einer
Rotationsgeschwindigkeit bis zu 300 Kilometer pro Stunde bilden.
Diese Hurricanes bewegen sich mit dem Hauptwind der Hadley-Zelle nach
Westen und drehen in größeren Breiten nach Osten, wo sie als
Tiefdruckgebiete Europa erreichen.
Sie erscheinen jährlich am Ende des Sommers mit ihrer zerstörerischen
Wirkung über den karibischen Inseln und rotieren, wie die
Tiefdruckgebiete aufgrund der Coriolis-Kraft auf der Nordhalbkugel
entgegen dem Uhrzeigersinn.
Wir verfolgen die Satellitenaufnahme des Hurricanes Georges und dessen
Bahn über die karibischen Inseln.
Auch starke Scherwinde, zum Beispiel an Gewitterfronten oder
auftriebsbedingte Winde in der Wüste, können kleinskaligere Wirbel
bilden.
Sie sind als Tornados oder Windhosen bekannt, haben einen Durchmesser
von bis zu 500 Meter und eine Lebensdauer von einigen Minuten.
Ein entsprechender Wärmeaustausch zwischen dem warmen Wasser der
Äquatorregionen und dem kalten Wasser der eisbedeckten Pole findet in
den Ozeanen statt, der wiederum Auswirkungen auf das Wettergeschehen
in der Atmosphäre hat.
Die Strömungen in den Ozeanen werden durch die Kontinente begrenzt.
Damit ist eine globale Zirkulation, wie wir sie in der Atmosphäre
diskutiert haben, nicht möglich.
Die Ozeanströmungen werden zum einen von den großräumigen Winden
angetrieben und zum anderen entstehen sie, wie in der Atmosphäre,
durch Konvektionsströmungen, die den Wärmeaustausch zwischen dem
Äquator und den Polen bestimmen.
Die Scherwirkung der von der Hadley-Zelle verursachten Ostwinde
verursacht im Pazifik nördlich des Äquators eine Ostströmung, die vor
Afrika umgelenkt wird und als warme Wasserströmung nach Westen strömt.
Diese teilt sich vor den westindischen Inseln auf.
Ein Teil strömt in den Golf von Mexiko, der zweite Teil strömt entlang
den Bahamas.
Die beiden Teilströme vereinigen sich vor der Küste Floridas und
strömen als warmer Golfstrom entlang der Küste Georgias.
Dieser nordatlantische Golfstrom hat eine hohe
Strömungsgeschwindigkeit an der Wasseroberfläche von drei Meter pro
Sekunde und eine Ausdehnung von 100 Kilometer.
Am Rande des Golfstroms steigt die Wassertemperatur um etwa 10 Kelvin
an.
Der Volumenstrom dieser Warmwasserröhre beträgt beträchtliche 30
Millionen Kubikmeter pro Sekunde.
Dieser mächtige Golfstrom verlässt die Küste Nordamerikas am Cape
Hatteras und strömt ostwärts nach Europa, wo sein warmes Wasser für
das milde Klima an der britischen und norwegischen Küste
verantwortlich ist.
Der zweite Teil des Golfstroms strömt entlang der Küste Nordafrikas
und bildet die großräumige nordequatoriale Zirkulation.
Die kalte Meeresströmung bewegt sich entlang der nord- und
südamerikanischen Küste vom Nordpol zum Äquator.
Auch im Erdinnern sind es Konvektionsströmungen, die den Energie- und
Impulstransport vom heißen Erdkern zum erstarrten Erdmantel bestimmen.
Diese sind für das Erdmagnetfeld und die Drift der Kontinente auf der
Erdoberfläche verantwortlich.
Betrachtet man die Konturen von Südamerika und Afrika, zeigt sich,
dass sie vor etwa 250 Millionen Jahren offensichtlich einen Kontinent
gebildet haben.
Dies wird insbesondere deutlich, wenn man die weißen Landmassen unter
Wasser mit berücksichtigt.
Diese beiden Kontinente driften bis heute in den Scheerschichten der
Konvektionsrollen der Asthenosphäre auseinander.
Die Driftgeschwindigkeit beträgt bis zu 5 cm pro Jahr.
In der Umgebung von Auftriebszonen der Konvektionsrollen in der
Erdmantelschicht wird heißes Magma aus dem Erdinnern an die
Erdoberfläche transportiert.
So entstand der mittelatlantische Rücken.
In den Abtriebszonen wird kaltes Erdkrustenmaterial ins Erdinnere
transportiert, was den Graben im Pazifik zur Folge hat.
Die Drift der südamerikanischen Kontinentalplatte bildet vor dem
Graben das Andengebirge.
Die Größe der Konvektionsrollen in der Erdmantelschicht beträgt etwa
700 Kilometer.
Ganz entsprechende Strömungen beobachten wir auch auf und in den
Planeten unseres Sonnensystems bei veränderter
Rotationsgeschwindigkeit der Planeten und anderer Gaszusammensetzungen
von deren Atmosphäre.
Die Strömungen in den Planetenatmosphären haben die gleiche Ursache
wie die in der Erdatmosphäre.
Der Energie- und Impulsaustausch zwischen dem Äquator und den Polen
erfolgt ebenfalls über großräumige Konvektionsströmungen.
Diese hängen von der Rotationsfrequenz und der jeweiligen Höhe der
Planetenatmosphäre sowie deren Dichteschichtung und chemischen
Zusammensetzung, der Bilanz der Sonneneinstrahlung und deren Reflexion
auf der Planetenoberfläche ab.
Betrachtet man die Jupiter-Atmosphäre, so erkennt man ganz
entsprechende zonale Zellstrukturen, wie wir sie für die Erdatmosphäre
beschrieben haben.
Der Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems, besteht aus
verdichtetem Gas und rotiert 2,4 Mal so schnell wie die Erde.
In größeren Breiten entstehen aufgrund der inneren Aufheizung ovale,
antizyklonische Wirbel, ganz analog den Hurricanes in der
Erdatmosphäre.
Diese wirken in der Jetströmung der Jupiter-Atmosphäre wie
Hindernisse, die im Nachlauf wiederum eine periodische Wirbelbildung
zur Folge haben.
Diese sogenannten roten Flecken haben eine Ausdehnung von bis zu 22
.000 Kilometer und sind bemerkenswert stabil.
Sie zerfallen sehr langsam.
Ihr Durchmesser war vor 100 Jahren etwa doppelt so groß wie heute.
Auch die Granulation der Sonnenoberfläche ist ein Strömungsphänomen.
Wir beobachten wiederum Konvektionszellen mit einem Durchmesser von
etwa 1.000 Kilometer und einer Lebensdauer von einigen Minuten.
Das heiße Plasma der Sonne strömt in den hellen Zonen an die
Sonnenoberfläche und in den dunklen Zellzonen nach entsprechender
Abkühlung nach innen.
Die Plasmaströme in den Zellen sind mit starken Magnetfeldern
verbunden.
Dies tritt insbesondere in der Umgebung von schwarzen Flecken in
Erscheinung, wo sich die Konvektionszellen entlang des radialen
Magnetfeldes zu länglichen Konvektionsrollen formen.
Wir finden Wirbelsysteme auch im Kosmos.
Die Galaxien bestehen aus 100 Billionen einzelnen Sternen.
Unsere Sonne bedurfte etwa 250 Millionen Jahre, um sich einmal um das
Zentrum unseres Milchstraßensystems zu bewegen, dessen Durchmesser
etwa 75.000 Lichtjahre beträgt.
Im Weltall gibt es Billionen solcher rotierender Galaxien, die dadurch
gekennzeichnet sind, dass sie im Wirbelzentrum eine höhere stellare
Konzentration aufweisen, wo neue Sterne entstehen können.
Im Gegensatz zu den vorangegangenen Beispielen von Strömungen in der
Natur befasst sich die Bioströmungsmechanik mit Strömungen, die von
flexiblen biologischen Oberflächen aufgeprägt werden.
Man unterscheidet die Umströmung von Lebewesen in Luft oder im Wasser
wie den Vogelflug oder das Schwimmen der Fische und Innenströmungen
wie den geschlossenen Blutkreislauf von Lebewesen.
Die Evolution hat in den vergangenen Jahrmillionen für die
Fortbewegung der Lebewesen je nach Größe und Gewicht das Kriechen,
Laufen, Schwimmen, Gleiten bzw.
Fliegen entwickelt.
Der für die Ortsveränderung notwendige Vortrieb erfordert eine
angepasste Strömungskontrolle.
Die Fortbewegung von Bakterien und Einzellern erfolgt bei
vorherrschender Reibung mit Wimpern und Geißeln.
Kaulquappen und Kraken nutzen die Trägheitskraft eines Strahlantriebs
zur Fortbewegung.
Aale bewegen sich wellenförmig.
Wale nutzen die Wirbelablösung der Schwanzflosse zum Vortrieb.
Schnell schwimmende Fische wie die Haie weisen Längsrillen auf ihren
Schuppen auf, die die Viskoseunterschicht der Strömungsgrenzschicht
derart beeinflussen, dass der Strömungswiderstand reduziert wird.
Damit erreichen Haie Spitzengeschwindigkeiten bis zu 45 km pro Stunde.
In der Technik werden derartige Längsrillenfolien genutzt, um den
Widerstand von Verkehrsflugzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen bzw.
die Verluste in Pipelines zu verringern.
Das Fliegen ist in der Natur in unterschiedlicher Weise bei den
Insekten, Fledermäusen und Vögeln zu beobachten.
Da die Propellerrotation um eine Achse biologisch nicht möglich ist,
wird der zum Fliegen erforderliche Auftrieb und Vortrieb durch die Hin
- und Herbewegung eines Flügelschlags erreicht.
Der Vortrieb entsteht dadurch, dass der Abwärtsschlag mit großer Kraft
und der Aufwärtsschlag bei möglichst geringem Widerstand ausgeführt
wird.
Den größten Anteil des Vortriebs liefern beim Vogel die äußeren Teile
des Flügels, die den größten Teil der Vertikalbewegung zurücklegen.
Dabei wird die Anstellung verschiedener Profilschnitte des Flügels im
Verlauf einer Schwingungsperiode durch die Deformierung des Flügels
verändert.
Der innere Teil des Flügels erzeugt im Wesentlichen den Auftrieb.
Damit sind die Funktionen des Tragflügels und Antriebpropellers eines
Propellerflugzeuges im Vogelflügel integriert.
Allerdings wird dies damit erkauft, dass sich Auftrieb und Vortrieb im
Verlauf einer Schwingung ändern.
Den damit verbundenen Stabilitätsproblemen wird durch aerodynamische
Kräfte der Schwanzflächen entgegengewirkt, die als horizontales
Steuerruder die Schwingbewegung ausgleichen.
Der größte Wandervogel Albatros erreicht bei einer Spannweite von 3,80
Meter eine Spitzengeschwindigkeit bis zu 110 Kilometer pro Stunde und
eine Gleitzahl, dem Verhältnis von Auftriebskraft zu Widerstandskraft,
von 20.
Die erste erfolgreiche technische Umsetzung des Vogelflugs gelang Otto
Lilienthal 1891 mit seinem manntragenden Gleitflugzeug.
Der vogelähnliche Gleiter besitzt einen starren Flügel mit
integrierten vertikalen und horizontalen Flächen, die für die
Stabilität sorgten.
Die Flugkontrolle des Hanggleiters erfolgte durch Gewichtsverlagerung
des Körpers unter dem Gleiter.
Auch bei den modernen Verkehrsflugzeugen ist es 100 Jahre später bei
den starren Flügeln geblieben.
Der Flügelschlag des Vogels wurde durch Fähntriebwerke ersetzt, die
aufgrund ihrer Größe unter den Tragflächen angebracht sind.
Der Rumpf nimmt die Passagiere auf und die Seiten- und Höhenleitwerke
sorgen für die Flugstabilität.
Damit sind wir bei den technischen Strömungsbeispielen.
Unsere Umwelt ist in vielfältiger Weise von Strömungsphänomenen
gekennzeichnet.
So führt die Optimierung von Strömungen zur Widerstandsverringerung
von Verkehrsflugzeugen, Schienen und Kraftfahrzeugen und damit zu
Kraftstoffeinsparungen.
Sie führt in den Antriebsaggregaten zur Steigerung des Wirkungsgrades
und der Reduktion der Schadstoffemission.
Bei der Herstellung von Materialien aus der Schmelze bestimmt sie die
innere Struktur und damit die Festigkeit und Belastbarkeit des
Materials.
In chemischen Produktionsanlagen und Pipelines verringert die
Optimierung der Strömungen die Verluste und reduziert damit die für
die Herstellung und den Transport der Flüssigkeiten und Gase
erforderliche Pumpleistung.
Bei der Entwicklung der Verkehrs- und Schienenfahrzeuge geht es im
Wesentlichen darum, der Transportgeschwindigkeit angepasste,
widerstandsarme Körperformen zu finden, um den Kraftstoff der
Triebwerke bzw.
die elektrische Leistung der Antriebsmotoren möglichst gering zu
halten.
Die Entwicklung der Verkehrsluftfahrt begann in den 30er Jahren mit
der legendären Ju 52.
Sie transportierte 17 Passagiere mit einer Geschwindigkeit von 250 km
pro Stunde und wurde von drei Kolbenmotoren angetrieben.
Das Bestreben, möglichst schnell von einem Ort zum anderen zu fliegen,
führte zur Entwicklung der Düsentriebwerke, die es heute erlauben, in
einer Höhe von 10 bis 12 Kilometer mit einer Geschwindigkeit von 950
Stundenkilometern zu fliegen.
Die Großraumjets transportieren dabei bis zu 555 Passagiere.
Der erste Vertreter dieser aerodynamisch neuen Generation von
Verkehrsflugzeugen war die Boeing 707.
Die entscheidende aerodynamische Erfindung war dabei der Pfeilflügel
der aerodynamischen Versuchsanstalten in Göttingen in den frühen 40er
Jahren.
Neuere Entwicklungen führten zum sogenannten superkritischen
transsonischen Flügel.
Der jüngste Vertreter der neuen Generation von Verkehrsflugzeugen ist
der Airbus A380.
Dabei ist der Rumpf für den Transport möglichst vieler Passagiere
größer geworden.
Dennoch erreicht man eine erhebliche Treibstoffersparnis gegenüber der
Boeing 707.
Neben der verbesserten Aerodynamik des transsonischen Tragflügels sind
es leichtere Materialien und verbesserte Fertigungstechniken sowie
neue Fantriebwerke und das automatisierte Zwei-Piloten-Cockpit, die zu
dieser Kraftstoffeinsparung und damit zur Reduzierung der
Schadstoffemission durch die Luftfahrt in der hohen Atmosphäre geführt
haben.
Die Fantriebwerke haben gegenüber den ursprünglichen Düsentriebwerken
einen deutlich größeren Durchmesser.
Ein Teil der vom Fan verdichteten, kalten Luft wird am heißen
Antriebsstrahl als Luftmantel vorbeigeführt.
Dies hat den zusätzlichen Nutzeffekt, dass die Schallabstrahlung der
Düsentriebwerke bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades
deutlich reduziert werden konnte.
Bei den Schienenfahrzeugen ist eine ganz entsprechende aerodynamische
Entwicklung über die Jahrzehnte zu beobachten.
Da der Leistungsaufwand mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit und
der Widerstand eines Fahrzeuges quadratisch mit der Geschwindigkeit
wächst, ergibt sich bei Reisegeschwindigkeiten über 100
Stundenkilometern die Notwendigkeit, die aerodynamische Formgebung
entsprechend anzupassen.
Während bei den herkömmlichen Dampflokomotiven die
Strömungsoptimierung lediglich mit seitlichen Windabweisern den Dampf
vom Führerhaus fernhält, wurde bei den IC-Zügen eine widerstandsarme
Formgebung der Lokomotive und Luftabweisern im Bereich der Räder der
Fahrgastwagen in ersten Ansätzen verwirklicht.
Erst beim ICE-3, der eine Reisegeschwindigkeit von bis zu 330
Stundenkilometern erreicht, wurde eine konsequente aerodynamische
Formgebung technisch umgesetzt, wenngleich auch hier zum Beispiel die
Stromabnehmer einer aerodynamischen Verkleidung bedürften.
Auch bei den Schienenfahrzeugen ist die strömungsmechanische
Entwicklung noch nicht am Ende.
Derzeit sind Projekte in Röhren mit Reisegeschwindigkeiten bis zu 500
Kilometer pro Stunde in der Planung.
Die widerstandsarme aerodynamische Formgebung eines Kraftfahrzeuges
wurde bereits 1938 technisch gelöst.
Der für das Erreichen des Geschwindigkeitsweltrekordes auf der Straße
von Mercedes-Benz 1937 gebaute Rennwagen erreichte einen
Widerstandsbeiwert von 0,365.
Mit der Versenkung des Fahrers in den Rennwagen und der Verkleidung
der Räder wurde ein Stromlinienkörper verwirklicht, der mit einer
drastischen Widerstandsreduzierung auf 0,17 einherging.
Der mit einem Stromlinienkörper bestenfalls erreichbare aerodynamische
Wert beträgt 0,12.
Wirklich berücksichtigt wurde diese Erkenntnis bei Straßenfahrzeugen
jedoch erst in den 80er Jahren, nachdem das Bewusstsein der
erforderlichen Kraftstoffeinsparung durch die Ölkrise geweckt wurde.
Heute hat sich die Kraftfahrzeugindustrie auf einen Kompromiss des
Widerstandsbeiwertes von etwa 0,26 eingestellt, der es gegenüber dem
Stromlinienkörper erlaubt, einen komfortablen Fahrgastraum mit dem
erforderlichen Rundumblick zu realisieren.
Die Raumfahrt hat sich mit dem Transport von Satelliten und
Raumstationen in den erdnahen Orbit in den letzten Jahrzehnten
etabliert.
Mit dem Bau der neuen Raumstation ISS und dem größer werdenden Bedarf
geostationärer Satelliten in der Erdumlaufbahn wird die Entwicklung
wiederverwendbarer Orbitaltransport- und Rückkehrsysteme immer
notwendiger.
Die historische Entwicklung des Orbitaltransports begann 1949 mit dem
Start der ersten zweistufigen V2-Rakete.
Bei der Rückkehr der zweiten Stufe in die Erdatmosphäre wurde erstmals
in der Geschichte der Luft- und Raumfahrt die Machtzahl 5
überschritten.
Ein Meilenstein der weiteren Entwicklung des Orbitaltransports war das
teilweise wiederverwendbare Orbitaltransportsystem Space Shuttle in
den 70er Jahren, das bis heute im Einsatz ist.
Die für den Start erforderlichen Feststoff-Raketenbooster werden
wieder geborgen.
Der Orbiter landet nach seiner Mission in einer erdnahen Umlaufbahn
auf der Erde.
Lediglich der Treibstofftank geht nach jedem Start verloren.
Nachdem 1949 die Raketenspitze der zweiten Stufe der V2 bei ihrem
ballistischen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre aus 390 Kilometern
Höhe verglühte, folgte 1961 der erste bemannte Wiedereintritt in die
Erdatmosphäre mit einer Wiedereintrittskapsel.
Beim Abbremsen der Kapsel in der Erdatmosphäre wurden Machtzahlen über
25 erreicht.
Das Gas vor der Kapsel wurde dabei über 10.000 Kelvin heiß, sodass die
Wiedereintrittskapsel vor dem Verglühen durch ein Hitzeschild
geschützt werden musste.
Es haben sich in der frühen Phase der Wiedereintrittstechnologie
Applationshitzeschilder aus beispielsweise faserverstärkten
Kunstharzen als Hitzeschutz bewährt.
Dabei wird die teilweise Zerstörung der äußeren Wandschicht durch
chemische Reaktionen, Sublimation, Verdunsten oder auch Schmelzfluss
für die Wärmeabfuhr genutzt.
Nach jedem Wiedereintritt muss das Hitzeschild der Kapsel ersetzt
werden.
Erst in jüngster Zeit sind neue hitzebeständige
Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe entwickelt worden, die mit einem
entsprechenden Oxidationsschutz ein wiederverwendbares Hitzeschild
möglich machen.
Ein erster Ansatz eines wiederverwendbaren Hitzeschutzes wurde bereits
beim Space Shuttle mit Kacheln realisiert.
Mehrphasenströmungen sind die am häufigsten auftretenden
Strömungsformen in Natur und Technik.
Dabei ist der Begriff Phase im thermodynamischen Sinne als einer der
Aggregatszustände fest, flüssig und gasförmig zu verstehen, die in ein
- oder mehrkomponentigen Stoffsystemen simultan auftreten können.
Die mit Regentropfen und Hagelkörnern driftenden Gewitterwolken, der
schäumende Gebirgsbach, die abgehende Schneestaublawine oder die
Vulkanaschewolke sind eindrucksvolle Beispiele für
Mehrphasenströmungen in der Natur.
In der Kraftwerks- und chemischen Verfahrenstechnik sind
Mehrphasenströmungen ein entscheidendes Mittel für Wärme- und
Stofftransport.
Zwei Phasenströmungen bestimmen das Geschehen in den Dampferzeugern,
Kondensatoren und Kühltürmen von Dampfkraftwerken.
Mehrphasen-Mehrkomponentenströmungen werden bei der Gewinnung, dem
Transport und der Verarbeitung von Erdöl und Erdgas eingesetzt.
Bei Destillations- und Rektifikationsprozessen der chemischen
Industrie sind diese Strömungsarten ebenso maßgeblich beteiligt.
Sie treten auch als Kavitationserscheinungen in Wasserkraftturbinen
auf.
Bereits beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre haben wir ein erstes
Beispiel einer Strömung mit chemischen Reaktionen der Luft
kennengelernt.
Strömungen mit Verbrennung werden technisch genutzt für den Antrieb
von Flugzeugen, Schiffen und Kraftfahrzeugen.
Die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt den größten Teil der
elektrischen und Wärmeenergie.
Die Optimierung der Strömungen bei diesen Verbrennungsprozessen
ermöglicht die Verringerung des Kraftstoffverbrauches sowie die
Reduzierung der Schadstoffemissionen.
Turbulente Verbrennungsprozesse sind durch ein breites Spektrum von
Zeit - und Längenskalen charakterisiert.
Die typischen Längenskalen der Turbulenz reichen von der Ausdehnung
der Verbrennungskammer bis hinunter zu den kleinsten Wirbeln, in denen
turbulente, kinetische Energie dissipiert wird.
So zeigt die Verbrennungsfront einer Flamme abgeschlossene Bereiche
von Frischgas, die in das Abgas eindringen.
Dieser transiente Prozess kann mittels der direkten numerischen
Simulation zeitlich aufgelöst untersucht werden und ist für die
Bestimmung des Gültigkeitsbereiches bestehender sowie die Entwicklung
neuer Modelle zur Beschreibung der turbulenten Verbrennung von
Bedeutung.
Ein neues Anwendungsspektrum von biologischen Strömungen bietet die
Medizintechnik.
Der Wärme- und Stofftransport in Lebewesen erfolgt in Kreisläufen.
Dazu gehören die Atmung, der Blut- und Lymphkreislauf sowie der
Wasserhaushalt.
Allen biologisch bedingten Strömungen ist gemeinsam, dass die Bewegung
von äußeren bzw.
inneren, hochflexiblen und strukturierten Oberflächen aufgeprägt wird.
Daraus resultiert eine aktiv kontrollierte Strömung, deren Verluste
gering gehalten werden.
Von der Vielzahl biologischer Strömungen wählen wir die
Blutzirkulation im menschlichen Körper aus.
Herz-Kreislauf-Erkrankungen gehören mit zu den häufigsten Erkrankungen
der modernen Zivilisation.
Ablagerungen in Arterienverzweigungen und an Herzklappen sowie
Vernarbungen des Herzmuskels durch einen Herzinfarkt verändern das
pulsierende Strömungsverhalten im Herzen- und im Blutkreislauf.
Überschreiten die Strömungsverluste einen lebensbedrohlichen,
kritischen Wert, ist eine Operation unausweichlich.
Um die Strömungsverluste im erkrankten Herzen vor und nach der
Operation vorhersagen zu können, wurde das virtuelle Herz CAMO, das
Karlsruher Heart Model, entwickelt.
Das Herz pumpt in jeder Minute etwa 5 Liter Blut in den Kreislauf.
Die Pumpleistung kann sich bei körperlicher Belastung auf 20 bis 30
Liter pro Minute erhöhen.
Der Blutkreislauf besteht aus zwei getrennten, über das Herz
untereinander verbundenen Teilkreisläufen.
Man bezeichnet den einen als Körperkreislauf und den anderen als
Lungenkreislauf.
Der Gesamtkreislauf sichert den Gasaustausch zwischen dem Stoffwechsel
im menschlichen Gewebe und der Luft der Atmosphäre.
Das Herz besteht aus zwei getrennten Pumpkammern, dem linken und
rechten Ventrikel.
Der rechte Ventrikel füllt sich mit sauerstoffarmen Blut aus dem
Körperkreislauf, um sich bei seiner Kontraktion in den Lungenkreislauf
zu entleeren.
Das in der Lunge reoxygenierte Blut wird vom linken Ventrikel in den
Körperkreislauf befördert.
Die Ventrikel durchlaufen während der Herzzyklen eine periodische
Kontraktion und Relaxation, die den pulsierenden Blutstrom im
Körperkreislauf sicherstellt.
Dieser Pumpzyklus geht mit Änderungen des Ventrikel- und
Arteriendrucks einher.
Die jeweilige Druckdifferenz sorgt für das druckgesteuerte Öffnen und
Schließen der Herzklappen.
Beim gesunden Herzen ist die pulsierende Strömung laminar und
ablösefrei.
Defekte des Pumpverhaltens des Herzens und Herzinsuffizienzen führen
zu turbulenten Strömungsbereichen und Rückströmungen in den
Ventrikeln, die die Strömungsverluste im Herzen erhöhen.
Das virtuelle CAMO-Herzmodell besteht aus dem linken Herzventrikel,
der Mitral- und Aortenklappe sowie der Aorta.
Die Ergebnisse der Strömungsberechnung im Herzmodell des gesunden bzw.
erkrankten menschlichen Herzens können über die quantitative
Bestimmung der Strömungsverluste dem Herzchirurgen wichtige Hinweise
über die zu wählenden chirurgischen Eingriffe geben.
So wird das beschriebene Herzmodell im Rahmen einer Studie für die
Bestimmung quantitativer Kriterien der Herzchirurgie eingesetzt.
Die parametrisierte Darstellung des Herzgeometrie-Modells ermöglicht
im klinischen Einsatz die Anpassung des Modells an die tomografischen
Magnetspinresonanzdaten vor und nach der Operation.
Die Strömungsbeispiele aus Natur und Technik lassen sich fortsetzen.
Die gezeigten Beispiele dienen der Einstimmung in die Vielfalt der
strömungsmechanischen Anwendungen.
Die Faszination, die die Beispiele in Natur und Technik auslösen,
machen es lohnenswert, sich in Lehre und Forschung mit der
Strömungsmechanik auseinanderzusetzen und deren praktische Anwendung
in Industrieprojekten weiter zu entwickeln.