Fluiddynamik

Autor: Leandro Alegsa

01-11-2021

Fluid Dynamics spricht darüber, wie Flüssigkeiten (Flüssigkeiten und Gase) funktionieren. Sie ist einer der ältesten Teile des Physikstudiums und wird von Physikern, Mathematikern und Ingenieuren studiert. Die Mathematik kann beschreiben, wie sich Flüssigkeiten bewegen, indem sie mathematische Formeln, so genannte Gleichungen, verwendet. Die Strömungsdynamik von Gasen wird Aerodynamik genannt.

Zu verstehen, wie sich Flüssigkeiten verhalten, hilft uns, Dinge wie Flug oder Meeresströmungen zu verstehen. Die Strömungsdynamik kann beispielsweise zum Verständnis des Wetters herangezogen werden, denn Wolken und Luft sind beide Flüssigkeiten. Die Flüssigkeitsdynamik kann auch dazu verwendet werden, um zu verstehen, wie Flugzeuge durch die Luft fliegen oder wie sich Schiffe und U-Boote durch das Wasser bewegen.

Computerprogramme können die mathematischen Gleichungen der Fluiddynamik verwenden, um die Aktionen von sich bewegenden Fluiden zu modellieren und vorherzusagen. Computer haben uns sehr geholfen, die Fluiddynamik zu verstehen, und einige Leute studieren die Modellierung oder Simulation von Fluiden nur mit einem Computer. Das Studium, wie die Fluiddynamik mit Computern durchgeführt werden kann, wird Computational Fluid Dynamics (oder kurz CFD) genannt.

Wichtige Gleichungen in der Fluiddynamik

Die mathematischen Gleichungen, die den Flüssigkeitsstrom regeln, sind einfach zu bedenken, aber sehr schwer zu lösen. In den meisten Fällen des wirklichen Lebens gibt es keine Möglichkeit, eine Lösung zu finden, die sich aufschreiben lässt, und stattdessen muss ein Computer zur Berechnung der Antwort eingesetzt werden. Es gibt drei grundlegende Gleichungen, die auf drei Regeln basieren.

Erhaltung der Masse: Masse wird weder geschaffen noch zerstört, sie bewegt sich einfach von einem Ort zum anderen. Daraus ergibt sich die Massenerhaltungsgleichung. Manchmal trifft dies möglicherweise nicht zu, wie z.B. bei einem Fluss, der eine chemische Reaktion beinhaltet.

Energieerhaltung: Dies ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik, Energie wird nie erzeugt oder zerstört, sie ändert nur ihre Form (d.h. kinetische Energie in potentielle Energie) oder bewegt sich.

Erhaltung des Impulses: Dies ist das Zweite Newtonsche Gesetz, und es besagt, dass Kraft = Änderungsgeschwindigkeit des Impulses. Der Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit. Die Impulsgleichungen sind die Gleichungen, die es schwierig machen, Probleme in der Fluiddynamik zu lösen. Es gibt eine Reihe verschiedener Versionen, die eine Reihe verschiedener Effekte beinhalten. Die Navier-Stokes-Gleichungen sind Impulsgleichungen, und die Euler-Gleichungen sind die Navier-Stokes-Gleichungen, jedoch ohne die Viskosität. Es gibt eine Impulsgleichung in einem 1D-Problem und drei, eine in jeder Raumrichtung, in 3D.

Zur Lösung der Gleichungen werden oft mehr Informationen in Form einer Zustandsgleichung benötigt. Diese setzt thermodynamische Eigenschaften (in der Regel Druck und Temperatur) für eine bestimmte Art von Fluid in Beziehung zueinander. Ein Beispiel ist die Zustandsgleichung "Ideales Gas", die Druck, Temperatur und Dichte in Beziehung setzt und für Gase unter Normaldruck (wie Luft bei atmosphärischem Druck) gut funktioniert.

Poiseuille'sche Gleichung
Bernoulli'scher Satz
Navier-Stokes-Gleichungen

Fragen und Antworten

F: Worum geht es in Fluid Dynamics?

A: Die Fluiddynamik befasst sich mit der Funktionsweise von Fluiden (Flüssigkeiten und Gasen).

F: Wer studiert Fluiddynamik?

A: Fluiddynamik wird von Physikern, Mathematikern und Ingenieuren studiert.

F: Wie kann die Mathematik beschreiben, wie sich Flüssigkeiten bewegen?

A: Die Mathematik kann die Bewegung von Flüssigkeiten mit mathematischen Formeln, den sogenannten Gleichungen, beschreiben.

F: Wie nennt man die Fluiddynamik von Gasen?

A: Die Strömungsdynamik von Gasen wird Aerodynamik genannt.

F: Warum ist es wichtig, zu verstehen, wie sich Flüssigkeiten verhalten?

A: Wenn wir verstehen, wie sich Flüssigkeiten verhalten, können wir Dinge wie das Fliegen oder Meeresströmungen besser verstehen.

F: Wie können Computerprogramme die mathematischen Gleichungen der Fluiddynamik nutzen?

A: Computerprogramme können die mathematischen Gleichungen der Flüssigkeitsdynamik verwenden, um das Verhalten von sich bewegenden Flüssigkeiten zu modellieren und vorherzusagen.

F: Wie nennt man das Studium der Strömungsdynamik mit Computern?

A: Das Studium der Strömungsdynamik mit Hilfe von Computern wird als computergestützte Strömungsdynamik (oder kurz CFD) bezeichnet.