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Strömungslehre,

 

die Lehre von der Bewegung flüssiger und gasförmiger Medien, bei der diese als Kontinua angesehen werden, relevante Abmessungen also groß gegen die Durchmesser und gegenseitigen Abstände der Atome und Moleküle sind. Die Strömungslehre beruht auf der Kontinuumsmechanik und in Teilbereichen auf der Thermodynamik. Da diese nur makroskopisch messbare physikalische Größen verwenden (z. B. Druck und Dichte), ist die Strömungslehre mit ihnen eine phänomenologische Theorie, die keine Erklärung von Stoffeigenschaften (z. B. Viskosität und Kompressibilität) liefern kann, die aber eine zutreffende Beschreibung oder Berechnung vieler technischen und natürlichen Vorgänge erlaubt.

 

Strömungsfähige Flüssigkeiten oder Gase, die zusammenfassend als Fluide bezeichnet werden, bleiben unter Scherbeanspruchung nicht in Ruhe, sondern fangen unter deren Wirkung an zu fließen oder zu strömen. Eine Strömung wird beschrieben durch die Angabe der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sämtlicher in einem makroskopischen Volumen enthaltener Fluidteilchen (teilchen- oder massenfeste Beschreibung nach Lagrange) oder durch die Angabe der Änderungen von Strömungsgrößen an jedem festen, von der Strömung durchflossenen Ort und zu jeder Zeit (eulersche, Feld- oder lokale Beschreibung); die Fluidteilchen werden dabei als sehr klein gegen das makroskopische Volumen, aber groß gegen die atomaren Abstände angesehen. Eine Strömung kann anschaulich durch Stromlinien oder Stromfäden beschrieben werden. Letztere sind Gesamtheiten von Stromlinien, die jeweils durch eine einfach berandete kleine Fläche hindurchtreten.

 

Die Hydrodynamik und die Aerodynamik behandeln die Fluide als inkompressibel (Inkompressibilität), was möglich ist, solange deren Geschwindigkeiten klein gegen die Schallgeschwindigkeit sind (praktisch etwa bis zu deren halber Größe) und wenn es sich bei Gasen um in der Höhe wenig ausgedehnte Strömungen handelt. Ansonsten wird im Sinn dieser Theorien zwischen Flüssigkeiten und Gasen nur nach der Druckabhängigkeit ihrer Dichte unterschieden. Als »ideal« werden die Fluide bezeichnet, wenn sie hierbei auch noch als reibungsfrei angesehen werden können. Bei höheren Geschwindigkeiten gelten die Gesetze für kompressible Strömungen (Gasdynamik). Für wirbelfreie Strömungen (Potenzialströmungen), bei denen die äußeren Kräfte ein Potenzial haben (wie z. B. die Schwerkraft), gilt die dem Energiesatz entsprechende Bernoulli-Gleichung. Aus ihr ergibt sich z. B. das torricellische Ausflussgesetz.

 

In der Theorie zäher Flüssigkeiten (Flüssigkeiten mit innerer Reibung) ist die Unterscheidung zwischen laminaren und turbulenten Strömungen grundlegend. Bei laminaren Strömungen (Schichtenströmungen) schieben sich die Schichten verschiedener Geschwindigkeiten ohne Wirbelbildung aneinander vorbei. Bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Rohr oder beim umströmten Körper schlägt die zunächst laminare Bewegung plötzlich in eine statistisch ungeordnete turbulente Strömung (Flechtströmung) mit starker Durchmischung in Quer- und Längsrichtung um. Dies ist oft mit Wirbelablösung verbunden. Ursache für den Umschlag der Strömung ist ihre Instabilität in Wandnähe (Grenzschicht). Der Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung hängt wesentlich von der Reynolds-Zahl ab. Die Übertragbarkeit von Modellversuchen im Windkanal auf die wirkliche Strömung bei der Großausführung setzt die Konstanz der Reynolds-Zahl voraus (»reynoldssches Ähnlichkeitsgesetz«; Ähnlichkeitstheorie). Entscheidend für die Entwicklung dieser Erkenntnisse war die Grenzschichttheorie von L. Prandtl, mit deren Hilfe die mehr mathematisch orientierte Hydrodynamik und die für die Ingenieurpraxis entwickelte Hydraulik wieder zusammengeführt wurden.