Laminare und turbulente Strömung

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Laminare Strömung (lat. lamina „Platte“) - eine ruhige Strömung von Flüssigkeit oder Gas ohne Mischen.  Flüssigkeit oder Gas werden in Schichten bewegt, die relativ zueinander gleiten.  Wenn die Geschwindigkeit der Schichten zunimmt oder wenn die Viskosität des Fluids abnimmt, wird diese Strömung turbulent.  Für jede Flüssigkeit oder jedes Gas tritt dieser Punkt bei einem bestimmten Wert der Reynolds-Zahl auf.

Laminare Luftströmung - die Bewegung paralleler Luftströme mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf engstem Raum. Für jede Art von Strömung gibt es eine Reкrit  Zahl, die als niedrigere kritische Reynolds-Zahl bezeichnet wird, sodass für jede Re <Reкrit die Strömung stabil und praktisch realisiert ist;  Reкrit wird normalerweise experimentell bestimmt.

Dieser Wert liegt beispielsweise bei der Rohrströmung bei etwa.

Theoretisch wird Laminare Strömung unter Verwendung der Navier-Stokes-Bewegungsgleichungen für eine viskose Flüssigkeit untersucht.  Die genauen Lösungen für diese Gleichungen können nur in wenigen speziellen Fällen erhalten werden, und normalerweise werden einige spezifische Methoden verwendet, um spezifische Probleme zu lösen.

Eigenschaften

Abhängig von einer Reihe von Bedingungen kann die Strömung einer viskosen Flüssigkeit durch Rohre laminar (oder geschichtet) und turbulent (oder Wirbel) sein.  Bei geschichtete Strömung bewegen sich alle flüssigen Moleküle parallel zur Rohrachse und haben im gleichen Abstand von der axialen Rohrmitte gleiche Geschwindigkeiten.

Die turbulente Strömung ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein einer normalen (senkrecht zur Richtung des Flüssigkeitsflusses) Komponente der Geschwindigkeit der Moleküle und eines starken Abfalls der Geschwindigkeit des Stroms, wenn dieser sich den Grenzen nähert. Die Bewegungsbahn von Molekülen in einer turbulenten Strömung ist eine komplexe gekrümmte Linie.

Eine laminare Flüssigkeitsströmung kann beobachtet werden, wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas bei niedrigen Reynolds-Zahlen um verschiedene Körper mit einer glatten Geometrie fließt.

Laminare und turbulente Strömungen

1883 führte der britische Physiker Osborne Reynolds (1842-1912) einen Farbtest durch, um den Unterschied zwischen den beiden Strömen zu veranschaulichen.  Die Rohrleitung wird nur mit einer bestimmten Durchflussmenge installiert.

Wir werden das folgende Experiment auch durchführen. Durch eine Glasröhre liefern wir Wasser.  Am Anfang der Röhre installieren wir eine dünne Röhre, durch die wir die Farbe zuführen. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit von Wasser in einer Glasröhre gering ist, nimmt ein aus einer dünnen Röhre fließender Farbtropfen die Form eines Fadens an.  Dies legt nahe, dass sich einzelne Partikel der Flüssigkeit linear bewegen.  Die Flüssigkeit in einem runden Rohr bewegt sich wie in konzentrischen Ringschichten, die sich nicht miteinander vermischen.  Diese Bewegung wird als laminar (geschichtet) bezeichnet.

Mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit in der Glasröhre erodiert der Tintenstrom, verliert seine Stabilität und bei hohen Geschwindigkeiten färbt die Tinte die gesamte Flüssigkeitsmasse gleichmäßig, was auf ein intensives Mischen aller Schichten hinweist.

Einzelne Flüssigkeitsteilchen und ihre kleinen Volumina befinden sich in einem Zustand chaotischer und zufälliger Bewegung.  Zusammen mit den allgemeinen Translationsbewegungen gibt es eine Querbewegung von Partikeln.  Diese Bewegung nennt man turbulent. Turbulente und laminare Strömung unterscheiden sich stark voneinander.

Ursache der Turbulenz

O. Reynolds untersuchte die Bedingungen des Übergangs von der laminare Strömung einer Tröpfchenflüssigkeit zu einer turbulenten in runden Rohren. Er fand heraus, dass das Regime von drei Parametern abhängt: Durchschnittsgeschwindigkeit, Durchmesser d und kinematische Viskosität ν.  Er kam zu dem Schluss, dass es einen kritischen Wert für das Verhältnis dieser Parameter gibt, der die Grenze zwischen dem laminaren und dem turbulenten Strömungsregime darstellt, und fand ihn:

Zum Beispiel für den Durchfluss in einem runden Rohr wird ein Wert von 2300 angegeben. Genauere Studien haben gezeigt, dass sich im Bereich der Reynald-Zahlen von 2000 bis 4000 die turbulenten und laminaren Modi periodisch ändern.  Daher können wir mit Sicherheit sagen, dass bei Re ≤ 2000 der Fahrmodus laminar ist und bei Re ≥ 2000 ein turbulenter Modus hergestellt wird.  Im Bereich der Reynolds-Zahlen von 2000 bis 4000 ist der Modus instabil, d.h.  es kann laminar oder turbulent sein.

Vorkommen in der Natur und Technik

In Bezug auf die Natur kann das folgende Beispielen für die laminare Strömung nennen: sie wird während des Blutflusses durch die Kapillaren und Blutgefäße beobachtet.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Delfine das Auftreten von Turbulenzen wirksam unterdrücken können, sodass sie sich schnell und leise im Wasser bewegen können. Die unter dem Einfluss dieser Studien entstandenen Spezialbeschichtungen für stille U-Boote. In der Technik ist das selten eingesetzt.

Manchmal werden Strömungsgleichrichter für lange Abschnitte des Feuerwehrschlauchs verwendet, da dies die Verwendung von wesentlich längeren Schläuchen ermöglicht. In der letzte Zeit wird das Prinzip für moderne Wasserspiele und Springbrunnen eingesetzt.

Die Laminare Luftströmung wird in der Medizin aktiv eingesetzt.  Es wird in Luftverteilern für Operationssäle sowie in sogenannten bzw. in Sicherheitswerkbänken verwendet, um eine staubfreie antibakterielle Luftumgebung zu schaffen.

Ein weiteres Beispiel: Es kann als Luftstrom über einem Flugzeugflügel dienen.  Da Luft eine Viskosität hat, neigt diese Luftschicht dazu, am Flügel zu haften.  Während sich der Flügel vorwärts durch die Luft bewegt, fließt die Grenzschicht zunächst gleichmäßig über die stromlinienförmige Form des aerodynamischen Profils. Hier ist die laminare Luftströmung und Grenzschichtströmung eine laminare Schicht.

Laminar Flow

Bei der Beschreibung technischer Mittel wird häufig der englische Begriff "Laminar Flow" verwendet, was Luftströmung mit geringen Turbulenzen bedeutet. Meistens ist dies ein vertikaler Laminar Flow, der sich um Hindernisse wie Autos oder Tische dreht. An Sicherheitsstationen werden die Bedingungen für die laminare Strömung durch spezielle Systeme geschaffen, zu denen Lüfter, Filter und Luftverteiler gehören. Der Raum, in dem ein solcher Strom erzeugt wird, weist ein gewisses Maß an Sauberkeit auf.

In der Industrie, in der eine Kontamination des Produkts durch Partikel in der Luft vermieden werden muss, werden quasi-laminar Flow (Strömungen mit geringen Turbulenzen) verwendet. Der Luftstrom reduziert Turbulenzen und streut Partikel durch den Luftstrom nach unten. Solche Partikel sind interessant für Anwendungsgebiete, bei denen höhere Risiken kompensiert werden müssen. Dies kann auf Reibung zwischen beweglichen Teilen zurückzuführen sein. Beispielsweise beim Abfüllen von Arzneimitteln. Typische Beispiele sind Reinräume in der Halbleitertechnologie, Medizin und Pharmazie.

Ein weiterer Anwendungsbereich sind Arbeitsplätze, an denen explosive Pulver (Pulver aus organischen Materialien wie Mehl) verwendet werden. Aufgrund des laminar Flow können sich diese Pulver nicht in der Luft ausbreiten und den Zustand eines explosiven Gemisches (Luft-Feststoff) erreichen.

Die Anforderungen sind in den Vorgaben von ABO Pharmacy 2005 enthalten. Die Regel besagt, dass sterile Arzneimittel (insbesondere Augentropfen oder Arzneimittel zur parenteralen Verabreichung) in einem Labor unter Verwendung von Laminar Flow oder in einem Isolator unter Verwendung modernster Technologie hergestellt werden müssen. Die einzige Ausnahme ist, wenn die Produktion in einem separaten Reinraum erfolgt.