Laminare Strömung

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Laminare Strömung

Die laminare Strömung (von lat. lamina - die Platte) ist die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen, bei der keine Turbulenzen (Verwirbelungen/Querströmungen) auftreten. Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht vermischen. In diesem Fall handelt es sich (bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit) meistens um eine stationäre Strömung.

Zur Darstellung des Unterschiedes zwischen laminarer Strömung und turbulenter Strömung hat der Physiker Osborne Reynolds im Jahr 1883 einen Färbeversuch einer Wasserströmung in einer Rohrleitung vorgenommen und festgestellt, dass sich die Verwirbelung in der Rohrleitung erst ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit einstellt. Als Beurteilungskriterium wird hierzu die Reynolds-Zahl Re angewandt. Diese ist wie folgt definiert:

${\mathrm {Re}} = {{{v \cdot l}} \over {\nu}} = \frac{v \cdot l \cdot \rho}{\mu}$ ,

wobei $v$ der Betrag einer charakteristischen Strömungsgeschwindigkeit, $l$ eine charakteristische Länge sowie $ν$ die kinematische Viskosität bzw. $μ$ (oder auch $η$ ) die dynamische Viskosität und $ρ$ die Dichte des strömenden Fluids ist.

Ausbildung einer laminaren Grenzschicht an einer flachen Oberfläche. Rex ist hier bei jedem x kleiner als Rekrit ~ 105. Die Plattenlänge x muss daher endlich sein.

Ausbildung einer laminaren Grenzschicht an einer flachen Oberfläche. Re_x ist hier bei jedem x kleiner als Re_krit ~ 10⁵. Die Plattenlänge x muss daher endlich sein.

Ab einem kritischen Wert $Re krit$ wird die laminare Strömung instabil gegenüber kleinen Störungen (Strömungsinstabilität). Dieser Wert liegt beispielsweise bei der Rohrströmung bei etwa

$\mathrm{Re_{krit}} = \frac{v_{\rm m} \cdot d}{\nu} \approx 2320$

wobei $v m$ die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist, und als charakteristischen Länge der Rohrleitungsdurchmesser $d$ heranzuziehen ist. Bei überströmten Platten liegt die kritische Reynoldszahl bei

$\mathrm{Re_{krit}} = {{{v_0\cdot x}} \over {\nu}} \approx 10^5$ .

Dabei ist $x$ der Abstand von der Vorderkante der Platte und $v 0$ die Geschwindigkeit der ungestörten Anströmung.

Sind in der Umgebung Störungen vorhanden, was praktisch immer der Fall ist, so werden diese angefacht. Die geordnete Bewegung (Schichtströmung) geht somit schließlich in die ungeordnete turbulente Strömung über. Laminare Strömungen treten zum Beispiel im Grundwasser und im Blutkreislauf auf, sind bei technischen Anwendungen aber eher die Ausnahme, wobei man sich bereits auch bei der Mikroverfahrenstechnik dieses Phänomen zu Nutze macht.

Laminare Grenzschichten weisen meistens gegenüber turbulenten Grenzschichten eine deutlich geringere Wandreibung auf. Daher wird beispielsweise im Segelflugzeugbau auf sogenannte Laminarprofile zurückgegriffen, die formbedingt eine hohe laminare Lauflänge (der Abstand zwischen Vorderkante und dem laminar/turbulenten Umschlagspunkt) aufweisen, um einen Strömungsabriss zu vermeiden. Jedoch kann auch das gezielte Erzeugen von kleinen Wirbeln (durch s. g. Riblets) den Reibungswiderstand verringern.

[Bearbeiten] Laminar Flow

Unter Laminar Flow wird eine (meist vertikal) gerichtete, turbulenzarme Luftströmung verstanden.

Strömungsprinzip „Laminarströmungs-Reinraum“

Der Name Laminar-Flow wurde etwas ungünstig gewählt, da es sich hierbei nicht um eine laminare Strömung handelt! Laminar Flow wird mittels spezieller Anlagen erzeugt, die über Ventilatoren, Filter und Luftverteiler (sog. Laminarisator) verfügen. Der Raum, der von Laminar Flow durchströmt wird, besitzt eine definierte Reinraumqualität (abhängig von den eingesetzten Filtern), da nur sterile Luft im Raum verbleibt bzw. mögliche Partikel gerichtet weggeblasen werden. Laminar-Flow findet überall dort Anwendung, wo das erhöhte Risiko von Partikelbildungen (z. B. durch Reibung sich bewegender Teile) kompensiert werden muss, also z. B. bei der Abfüllung von Pharmazeutika. Eine wesentliche Neuerung der Apothekenbetriebsordnung 2005 ABO ist, dass die Herstellung steriler Arzneimittel – insbesondere Augentropfen oder parenteral zu verabreichender Arzneimittel im Labor unter Verwendung eines Laminar-Flows oder eines Isolators nach dem Stand der Wissenschaften und Technik erfolgen muss, sofern nicht die Herstellung in einem eigenen Sterilraum erfolgt. Siehe auch: Reinräume:Strömungsprinzipien.