Strömungsmechanik

Zusammenfassung

Strömungen zählen von jeher zu den am meisten modellierten und (numerisch) simulierten Phänomenen. Dabei treten sie in völlig verschiedenen Zusammenhängen und Disziplinen auf. Astrophysik, Plasmaphysik, Geophysik, Klimaforschung und Wettervorhersage, Verfahrenstechnik und Aerodynamik sowie Medizin – überall werden Strömungen studiert, wenngleich auch ganz unterschiedlicher Materialien bzw. Fluide. Wie wir im Kap. 7 über makroskopische Verkehrssimulation gesehen haben, werden Strömungsvorgänge auch als Denkmodell für Anwendungen hergenommen, bei denen kein Stoff im üblichen Sinn fließt. Strömungen sind zudem ein Paradebeispiel sehr rechenintensiver Simulationen – insbesondere, wenn Turbulenz im Spiel ist – und somit sehr oft ein Fall für Hochleistungsrechnen (High Performance Computing (HPC)) und Hochleistungsrechner. Und so darf natürlich auch in diesem Buch ein Kapitel zur numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics (CFD)) nicht fehlen. Simulationsseitig haben wir es also wieder mit einem numerischen Simulationsansatz zu tun, modellseitig meistens mit einem PDE-basierten Modell. Dementsprechend benötigen wir nun vom Instrumentarium aus Kap. 2 vor allem die Abschnitte zur Analysis und zur Numerik.

Aus der Vielzahl relevanter Szenarien greifen wir im Folgenden den Fall viskoser, d. h. reibungsbehafteter, laminarer Strömungen inkompressibler Fluide heraus. Die Begrifflichkeiten werden im nächsten Abschnitt eingeführt und besprochen, als Faustregel für dieses Kapitel denke man eher an Honig als an Luft. Der Einfachheit halber bewegen wir uns zudem in einer zweidimensionalen Geometrie. Als Anwendungsbeispiel soll die Umströmung eines Hindernisses dienen. Für eine weiterführende Diskussion der Thematik sei auf die Bücher „Numerische Simulation in der Strömungsmechanik“ von Michael Griebel, Thomas Dornseifer und Tilman Neunhoeffer [28] und „Numerische Strömungsmechanik“ von Joel H. Ferziger und Milovan Peric [19] verwiesen.