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Transition von Grenzschichten

Strömungen um einen beliebigen Körper lassen sich nach dem Grenzschicht-Prinzip in zwei Gebiete unterteilen. Im überwiegenden Teil des Strömungsfeldes kann die Viskosität vernachlässigt werden, während sich in Wandnähe des umströmten Körpes eine dünne Grenzschicht ausbildet, in der die Viskosität eine wichtige Rolle spielt. Durch den viskosen Impulsaustausch zwischen  Fluidteilchen untereinander und an der Körperkontur wird in dieser Grenzschicht die Strömung verzögert, bis sie an der Körperoberfläche zum Stillstand kommt. Innerhalb der Grenzschicht treten im Allgemeinen zwei grundsätzlich verschiedene Strömungsformen auf. Bei kleinen Reynolds-Zahlen bildet sich eine Schichtenströmung aus, bei der nur ein relativ kleiner, durch die Molekülbewegung verursachter Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtuing stattfindet. Das Fluid bewegt sich in dieser so genannten laminaren Strömung entlang von geordneten, parallelen Bahnen. Bei höheren Reynolds-Zahlen ändert sich dieses Strömungsbild wesentlich. Die sich einstellenden Strömung ist durch unregelmäßige, scheinbar zufällige Schwankungsbewegungen charakterisiert, zwischen den Strömungsschichten findet ein verstärkter Impulsaustausch statt. Strömungen, die durch solche Phänomene gekennzeichnet sind werden als turbulente Strömungen bezeichnet. Der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung innerhalb einer Grenzschicht nennt man Transition. Durch die Haftbedingung an der Körperkontur wird die Strömung in Wandnähe abgebremst und verliert dadurch an Impuls. Ein Druckanstieg in Strömungsrichtung kann dazu führen, dass der Impuls der Fluidteilchen nicht mehr ausreicht, um in Gebiete höheren Druckes zu strömen und sich ein Rückströmgebiet ausbildet. Nachfolgende Fluidteilchen werden in die Außenströmung abgedrängt, die Strömung löst von der Oberfläche ab. Aufgrund des höheren Impulsaustausches kann eine turbulente Strömung, im Vergleich zu einer laminaren Strömung, diesen Prozess wesentlich verzögern, es stellt sich ein deutlich kleineres Ablösegebiet ein. Hinsichtlich technischer Anwendungen ist aber häufig eine möglicht lange laminare Laufstrecke wünschenswert, um den Reibungswiderstand gering zu halten. Im Hochauftriebsbereich bei der Tragflügelaerodynamik hat die Vermeidung laminarer Ablösung Priorität, da Phänomene wie leading edge stall (Vorderkantenablösung) einen massiven Auftriebsverlust bewirken. In jedem Fall ist eine genaue Vohersage der laminar turbulenten Transition erstrebenswert, da die Kenntnis dieser Lage u.a. für die Beurteilung der Ablöseneigung von Tragflügelprofilen wesentlich ist.


  aktualisiert am 19.03.2013
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