Strömungsarten

Laminar und Turbulent

Wenn Wasser durch eine Leitung fließt, kann es sich auf zwei grundlegend verschiedene Arten bewegen:

Laminare und turbulente Strömung — Laminare (oben) und turbulente (unten) Strömung
Quelle: tec-science

Laminare Strömung

Bei einer laminaren Strömung bewegt sich die Flüssigkeit in geordneten, parallelen Schichten. Die Schichten gleiten übereinander, ohne sich zu vermischen.

Man kann sich das vorstellen wie einen ruhig fließenden Bach - das Wasser fließt gleichmäßig und vorhersehbar.

Laminare Strömung tritt bei niedrigen Geschwindigkeiten und in kleinen Leitungen auf.

Turbulente Strömung

Bei einer turbulenten Strömung ist die Bewegung chaotisch. Es bilden sich Wirbel und die Flüssigkeit vermischt sich stark.

Man kann sich das vorstellen wie eine Stromschnelle in einem Wildbach - unregelmäßig und aufgewühlt.

Turbulente Strömung tritt bei hohen Geschwindigkeiten und in großen Leitungen auf.

Die Reynolds-Zahl

Ob eine Strömung laminar oder turbulent ist, lässt sich mit der Reynolds-Zahl (Re) bestimmen:

R e = \frac{v \cdot d}{ν}

Dabei sind:

v - die Strömungsgeschwindigkeit in m/s
d - der Innendurchmesser der Leitung in m
ν - die kinematische Viskosität der Flüssigkeit in m²/s (für Wasser bei 20°C: ca. 1,0 · 10⁻⁶ m²/s)

Grenzwerte

Bei einer Reynolds-Zahl unter 2.300 ist die Strömung laminar und geordnet.

Zwischen 2.300 und 4.000 befindet sich der Übergangsbereich, in dem die Strömung weder eindeutig laminar noch turbulent ist.

Ab einer Reynolds-Zahl über 4.000 ist die Strömung turbulent und chaotisch.

Was bedeutet das für uns?

In der Praxis sind Strömungen in THW-Schlauchleitungen fast immer turbulent. Die Geschwindigkeiten und Durchmesser unserer Schläuche führen zu Reynolds-Zahlen weit über 4.000.

Das hat eine wichtige Konsequenz: Turbulente Strömung erzeugt deutlich mehr Reibung als laminare Strömung.

Rechenbeispiel

Ein F-Schlauch (Innendurchmesser 150mm) bei einer Fördermenge von 2000 l/min:

v = \frac{Q}{A} = \frac{0 , 0333 \frac{m ^{3}}{s}}{0 , 01767 m ^{2}} \approx 1, 9 \frac{m}{s}

R e = \frac{1 , 9 \cdot 0 , 15}{1 , 0 \cdot 1 0 ^{- 6}} = 285.000

Mit einer Reynolds-Zahl von 285.000 ist die Strömung weit im turbulenten Bereich. Die Reibungsverluste sind entsprechend hoch.

Maßnahmen

Mehr Leitungen parallel legen → die Geschwindigkeit pro Leitung sinkt → die Reynolds-Zahl sinkt → weniger Reibung
Größere Durchmesser verwenden → bei gleicher Fördermenge sinkt die Geschwindigkeit → weniger turbulente Strömung
Formteile vermeiden → diese erzeugen zusätzliche Verwirbelungen

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