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Strömungslehre - Stationäre und instationäre Strömungen

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Strömungslehre

Stationäre und instationäre Strömungen

Strömungen können grundsätzlich in stationäre und instationäre Strömungen untergliedert werden. 

stationäre Strömungen

Die stationären Strömungen zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Geschwindigkeit über die Zeit hinweg konstant bleibt. Bei instationären Strömungen hingegen ändern sich die Strömungsgeschwindigkeiten im Zeitverlauf.  

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Eine Strömung ist stationär, wenn die Geschwindigkeitsvektoren überall im Strömungsfeld hinsichtlich Betrag und Richtung zeitlich konstant, d.h. zeitunabhängig sind.

Instationäre Strömungen

Die Strömung eines Fluids ist instationär, wenn dessen Strömungsgrößen wie Geschwindigkeit und Druck nicht nur von den Koordinaten des zur Beschreibung des Strömungsfeldes verwendeten Koordinatensystems, sondern auch von der Zeit abhängig sind.

Es wird zwischen drei Arten von instationären Strömungsvorgängen unterschieden. 

Arten von instationären Strömungen:

  1. Stochastisch unregelmäßige Vorgänge wie bei turbulenten Schwankungen.
  2. Anlauf- oder Auslaufvorgänge wie beim Anfahren oder Abschalten einer Kreiselpumpe. 
  3. Periodische Vorgänge wie bei Pulsationen, z. B. bei Druckstößen in Rohrleitungen, bei Kreiselpumpen mit instabiler Drosselkurve oder unter dem Einfluss des rotierenden Laufrades. 

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Infolge der Geschwindigkeitsänderungen an einem festen Ort treten aufgrund lokaler Beschleunigungen oder Verzögerungen in einer instationären Strömung zusätzliche Massenkräfte auf, die dann entsprechende Druckänderungen verursachen.

Letzteres kann bspw. ein beträchtlicher kurzzeitiger Druckanstieg beim plötzlichen Schließen eines Absperrorgans in einer langen, flüssigkeitsdurchströmten Rohrleitung oder der vergrößerte Druckverlust in Rohren bei pulsierender Strömung sein. 

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Periodisch instationäre Strömungsvorgänge können bei ausreichend kleiner Frequenz der Zustandsänderungen oft als quasi-stationäre Vorgänge behandelt werden. Bei ihnen liegt zu jedem Zeitpunkt der gleiche gemittelte Strömungszustand vor wie bei stationären Strömungen. 

Streng genommen ist die Durchströmung einer rotierenden Beschaufelung bei der Betrachtung von einem ruhenden Koordinatensystem aus immer eine instationäre Strömung. Geschwindigkeit und Druck ändern sich am festen Ort mit den vorbeilaufenden Schaufelteilungen periodisch. Die Strömung in einem Laufrad und in dessen unmittelbarer Umgebung ist jedoch eine stationäre Strömung, wenn man zur Beschreibung ein mit dem Laufrad mitrotierendes Koordinatensystem benutzt.