Techniklexikon

Hydrodynamik

Hydromechanik Fluiddynamik, allgemein die Dynamik der deformierbaren Medien, sofern deren Widerstand gegen Formänderung im Gleichgewicht verschwindet. Wichtige Teilgebiete der Hydrodynamik sind die Umströmung von Körpern mit der Grenzschichttheorie (Grenzschicht) sowie Wellen und Wirbel.

Grundlage der Hydrodynamik ist die Navier-Stokes-Gleichung, die sich jedoch aufgrund der Nichtlinearität nur für wenige praktisch kaum relevante Grenzfälle lösen lässt. Innerhalb der einzelnen Gebiete werden daher in der Regel Sonderfälle absepariert, die zu einer wesentlichen Vereinfachung der abgeleiteten Gesetze führen und dennoch im Rahmen der Annahmen praktische Anwendungsmöglichkeiten haben. So lässt sich das gesamte Gebiet der Hydrodynamik durch Vernachlässigung der Kompressibilität wesentlich vereinfachen. Diese Vereinfachung ist für viele Probleme gerechtfertigt, da die Kompressibilität vieler Flüssigkeiten (zum Beispiel von Wasser) verschwindend klein ist und keinen Effekt auf die betrachteten Phänomene hat. Die eindimensionalen inkompressiblen Strömungen fasst man unter dem Begriff Hydraulik zusammen. Bei der Definition, ob eine Flüssigkeit als inkompressibel angesehen werden darf, ist es nicht entscheidend, ob die betrachtete Flüssigkeit tatsächlich inkompressibel ist (echt inkompressible Stoffe existieren in der Natur nicht), sondern ob sich die Kompressibilität bei dem betrachteten Phänomen auswirkt. So kann beispielsweise die Strömung von Gasen bis zu einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa einem Drittel der Schallgeschwindigkeit als inkompressibel angesehen werden, da die Differenzen zur realen Strömung vernachlässigbar bleiben. Hydrodynamische Phänomene, bei denen die Kompressibilität eine wichtige Rolle spielt, sind Gegenstand der Aerodynamik.

Eine andere Vereinfachung der Hydrodynamik kann durch Vernachlässigung der Reibung erreicht werden (Flüssigkeit). Anhand der reibungsfreien, inkompressiblen Flüssigkeiten werden die wichtigsten Gesetze der Hydrodynamik, etwa die Eulersche Gleichung oder die Bernoullische Gleichung, gefunden und dann auf den reibungsbehafteten beziehungsweise kompressiblen Fall verallgemeinert. Zusammen mit der Kontinuitätsgleichung lassen sich mit diesem Ansatz bereits viele Strömungsphänomene verstehen.

Bei der Untersuchung der verschiedenen Strömungsformen sind noch laminare Strömung und turbulente Strömung zu unterscheiden, die wesentlich verschiedene Strömungsformen darstellen. Während bei der laminaren Strömung die Flüssigkeitsteile mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten schichtweise übereinander gleiten, ist die turbulente Strömung von einer wirbelnden Vermischung gekennzeichnet, die die gesamte Strömung bis auf kleinste Skalen erfasst. Eine exakte messtechnische Erfassung kann daher nur für laminare Strömungen erfolgen, während bei turbulenter Strömung nur statistische Kenngrössen ermittelt werden können. Ähnlich entziehen sich turbulente Strömungen in der Regel einer rechnerischen Behandlung, wodurch viele der Gesetzmässigkeiten turbulenter Strömungen auch heute noch empirischen Charakter besitzen.