Die laminare Strömung ist eine der beiden grundlegenden Arten der Flüssigkeitsbewegung und steht im Gegensatz zur turbulenten Strömung. Diese Strömungsart ist aufgrund der Ordnung und Ruhe, die in der Flüssigkeitsbewegung beobachtet wird, in der Technik, Physik und sogar Biologie von großer Bedeutung. Bei der geschichteten Strömung bewegt sich die Flüssigkeit in parallelen und regelmäßigen Schichten, wobei die Durchmischung zwischen den Schichten sehr gering ist. Dieser Artikel behandelt die grundlegenden Konzepte, Eigenschaften, maßgebenden Gleichungen und Anwendungen der geschichteten Strömung.
1. Grundkonzepte des Schichtflusses
Die geschichtete Strömung ist eine langsame und gleichmäßige Flüssigkeitsbewegung, bei der sich Flüssigkeitsschichten parallel und ohne nennenswerte Vermischung bewegen. Diese Strömungsart wird üblicherweise bei niedrigen Geschwindigkeiten und hochviskosen Flüssigkeiten beobachtet. Um die geschichtete Strömung von der turbulenten Strömung zu unterscheiden, wird die Reynolds-Zahl verwendet. Die Reynolds-Zahl ist ein dimensionsloser Parameter, der das Verhältnis von Trägheitskräften zu Viskositätskräften angibt. Dies ist sichtbar. Bei geschichteter Strömung liegt die Reynolds-Zahl üblicherweise unter 2000.
2. Schichtförmige Fließeigenschaften
Die geschichtete Strömung weist einzigartige Merkmale auf, die sie von der turbulenten Strömung unterscheiden. Zu diesen Merkmalen gehören:
A) Regelmäßige und parallele Bewegung der Schichten
Bei der Schichtströmung bewegen sich Flüssigkeitsschichten parallel, ohne sich zu vermischen. Dadurch ist die Strömung sehr vorhersehbar und steuerbar.
b) Konstante Geschwindigkeit pro Schicht
Bei einer Schichtströmung ist die Fluidgeschwindigkeit in jeder Schicht konstant und ändert sich langsam und linear. Dies unterscheidet sich von einer turbulenten Strömung, bei der sich die Geschwindigkeit ungleichmäßig ändert.
c) Geringer Druckabfall
Aufgrund der gleichmäßigen und gleichmäßigen Bewegung der Flüssigkeit ist der Druckabfall in einer Schichtströmung geringer als in einer turbulenten Strömung. Diese Eigenschaft ist bei der Konstruktion von Flüssigkeitspumpsystemen sehr wichtig.
d) Geringere Wärmeübertragung und Gewicht
In einer Schichtströmung erfolgt der Wärme- und Stofftransport hauptsächlich durch Wärmeleitfähigkeit und Diffusion. Aus diesem Grund ist die Wärme- und Stofftransportrate in einer Schichtströmung geringer als in einer turbulenten Strömung.
3. Gleichungen zur Regelung der Schichtströmung
Schichtströmungen werden durch partielle Differentialgleichungen beschrieben, die die Fluiddynamik bestimmen. Dazu gehören die Kontinuitätsgleichung, die Navier-Stokes-Gleichungen und die Energiegleichung. Bei Schichtströmungen sind diese Gleichungen aufgrund der Einfachheit der Fluidbewegung in der Regel analytisch oder numerisch lösbar.
A) Kontinuitätsgleichung
Die Kontinuitätsgleichung besagt, dass die Masse in einem geschlossenen System erhalten bleibt. Für eine inkompressible Strömung lautet die Gleichung:
∇⋅v=0
Wobei v der Geschwindigkeitsvektor der Flüssigkeit ist.
b) Navir-Stokes-Gleichung
Die Navier-Stokes-Gleichung beschreibt die Bewegung einer Flüssigkeit. Für eine inkompressible Schichtströmung lautet die Gleichung:
ρ(∂v∂t+v⋅∇v)=−∇p+μ∇2v+f
Dabei ist die Dichte der Flüssigkeit , p , μ die dynamische Viskosität und f die äußere Kraft.
B) Energiegleichung
Die Gleichung beschreibt die Wärmeübertragungsenergie in einem Fluid. Für eine geschichtete Strömung lautet die Gleichung:
ρcp(∂T∂t+v⋅∇T)=k∇2T+Φ
Dabei ist die Temperatur, cp Wärmekapazität, k der thermische Induktionskoeffizient und
4. Anwendung des Schichtflusses
Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften findet die Schichtströmung vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in Industrie und Wissenschaft. Zu diesen Anwendungen gehören unter anderem:
a) Flüssigkeits- und Gastransportsysteme
In Flüssigkeitstransportleitungen und -kanälen wird die Schichtströmung aufgrund ihres geringen Druckabfalls und der gleichmäßigen Bewegung bevorzugt. Dies ist wichtig für die Konstruktion von Bewässerungssystemen, Öl- und Gaspipelines sowie Kühlsystemen.
b) Mikrofluide
Mikrofluidik-Geräte dienen dem Transport kleinster Flüssigkeitsmengen und zeichnen sich durch Schichtströmung aus. Sie werden in der Medizin, Biotechnologie und analytischen Chemie eingesetzt.
c) Beschichtung und Lackierung
Bei Beschichtungs- und Lackierprozessen erzeugt die Lamellenströmung durch langsame und kontrollierte Bewegung gleichmäßige und hochwertige Schichten.
D) Lebensmittel- und Pharmaindustrie
In der Lebensmittel- und Pharmaindustrie wird die Lamellenströmung zum Transport scherempfindlicher Materialien eingesetzt. Dies ist beispielsweise bei der Herstellung von Milch, Saft und flüssigen Medikamenten von Bedeutung.
d) Biomedizintechnik
Bei medizinischen Geräten wie Dialyse- und Bluttransfusionssystemen wird aufgrund der langsamen Bewegung und des Fehlens von Flüssigkeitsturbulenzen der Schichtfluss bevorzugt.
5. Vor- und Nachteile der Schichtströmung
Der Schichtfluss hat Vor- und Nachteile, die beim Entwurf verschiedener Systeme berücksichtigt werden sollten.
Vorteile:
- Geordnete und vorhersehbare Bewegung
- Geringer Druckabfall
- Reduzierung von Schubspannungen
- Verbesserte Kontrolle des Wärme- und Massentransfers
Mängel:
- Geringere Wärme- und Massenübertragungsrate im Vergleich zur turbulenten Strömung
- Durchflussmengenbeschränkungen
- Um Turbulenzen im Durchfluss zu vermeiden, ist eine sorgfältige Konstruktion erforderlich.
6. Fazit
Schichtströmungen spielen als eine der grundlegenden Fluidbewegungsarten eine wichtige Rolle in Industrie und Wissenschaft. Diese Strömungsart wird aufgrund ihrer geordneten und langsamen Fluidbewegung häufig in Fluidhandhabungssystemen, der Mikrofluidik, Beschichtungen und der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt. Allerdings gibt es Einschränkungen wie geringe Wärmeübertragung und Massengeschwindigkeit, die bei der Systementwicklung berücksichtigt werden müssen. Mit dem technologischen Fortschritt haben Simulationen und strenge Tests die Analyse und Optimierung von Schichtströmungen in verschiedenen Anwendungen ermöglicht, was zu verbesserter Effizienz und reduzierten Kosten führt.