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Turbulente Strömung



Die turbulente Strömung (von lat. turbulentus - unruhig; zu lat. turba - lärmende Unordnung, Gewühl, Gedränge) ist die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen, bei der Turbulenzen (Verwirbelungen) auftreten. Diese Strömungsform ist gekennzeichnet durch eine stets dreidimensionale, stochastische instationäre Bewegungen der Fluidteilchen. Die verstärkte Diffusion aufgrund der Fluktuationsbewegung ist vermutlich die hervorragenste Eigenschaft turbulenter Strömungen. Sie liegt um mehrere Zehnerpotenzen über der molekularen Diffusion. Diese turbulente Querdiffusion führt dazu, dass z.B. die Verluste in einer Rohrströmung anwachsen. Während der Druckverlust bei einer laminaren Rohrströmung proportional zur mittleren Geschwindigkeit ist, ist er in einer turbulenten Strömung proportional zum Quadrat der mittleren Strömungsgeschwindigkeit.

Zur Darstellung des Unterschiedes zwischen laminarer Strömung und turbulenter Strömung hat der Physiker Osborne Reynolds im Jahr 1883 einen Färbeversuch einer Wasserströmung in einer Rohrleitung vorgenommen und festgestellt, dass sich die Verwirbelung in der Rohrleitung erst ab einer Grenzgeschwindigkeit einstellen kann. Als Beurteilungskriterium wird hierzu die Reynoldszahl Re angewandt. Diese ist wie folgt definiert

,

wobei vm die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, d die charakteristische Länge (z.B. Rohrleitungsdurchmesser) sowie ν die kinematische Viskosität des strömenden Mediums ist.

Ab einem kritischen Wert Rekrit von ca. 2300 wird die laminare Rohrströmung instabil und geht bei vorhandenen äußeren Störungen in eine turbulente Strömungsform über. Bei Außenströmungen, z.B. über einen Tragflügel geht die laminare Grenzschicht ab Rekrit = 105 - 106 in eine turbulente Grenzschicht über. Für andere Strömungskonfigurationen gelten jeweils andere kritische Reynoldszahlen. Turbulente Strömungen treten z.B. in Flüssen, in den meisten technischen Anwendungen und in der Atmosphäre auf.

Beispiel:

Der Umschlag von laminarer in turbulente Strömung läßt sich auch um Alltag beobachten. Der Rauch einer Zigarette in einer ruhenden Umgebung zeigt anfänglich eine laminare (Schicht-)Strömung, die nach einer bestimmten Steighöhe dann deutlich sichtbar turbulent wird.

Die Milch im Kaffee mischt sich ebenfalls mit einer turbulenten Strömung, wohingegegen die Mischung zweier Farben meist eine laminarer Mischung enspricht .




     
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