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Grenzschicht

Die Grenzschicht ist bei einem strömenden Fluid der Bereich, in dem entlang fester Wände in unmittelbarer Wandnähe die Geschwindigkeit von dem Wert der Wand (bei Haftbedingung) asymp-totisch (sich einer vorgegebenen Kurve beliebig annähernd) auf den Wert der von der Wandreibung unbeeinflussten Außenströmung ansteigt. Als Grenzschichtdicke wird meist der Abstand von der Wand definiert, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit 99 % des Wertes der Außenströmung erreicht hat. In der sehr dünnen Grenzschicht bei Außenströmungen mit großen REYNOLDS-Zahlen erfolgt senkrecht zur Wand ein starker Geschwindigkeitsanstieg.

Im Gegensatz zur praktisch reibungsfreien Außenströmung (siehe Potenzialströmung) darf innerhalb der Grenzschicht die Reibung aufgrund von Trägheits- und Reibungskräften von gleicher Größenordnung nicht vernachlässigt werden. Die Reibungskräfte wirken auch auf die Wand und verursachen hier den Reibungswiderstand. Die Außen- und Grenzschichtströmung beeinflussen sich wechselseitig, indem einerseits die Außenströmung durch die Verdrängungswirkung der Grenzschicht von der Wand abgedrängt wird und andererseits die Außenströmung der Grenzschicht einen Druckverlauf aufprägt, der wesentlich die Entwicklung der Grenzschicht bestimmt. In der Grenzschicht kann sowohl eine laminare als auch turbulente Strömung vorkommen. Die laminare Grenzschicht ist bei gleicher Geschwindigkeit der Außenströmung dünner als die turbulente. Bei turbulenter Grenzschicht-Strömung ist dagegen das Geschwindigkeitsprofil fülliger mit starkem Geschwindigkeitsgefälle an der Wand, was auch einen erheblich größeren Reibungswiderstand zur Folge hat. In unmittelbarer Wandnähe besitzt auch eine turbulente Grenzschicht stets eine laminare Unterschicht, da notwendigerweise alle Querbewegungen wie die turbulenten Schwankungen an der Wand verschwinden müssen. Bei der Umströmung eines Körpers findet sich zunächst eine in Strömungsrichtung anwachsende laminare Grenzschicht, die nach einer gewissen Lauflänge instabil wird und unter dem Einfluss von Störungen wie Wandrauigkeiten oder turbulenten Schwankungen in der Außenströmung in die turbulente Strömungsform umschlägt.
siehe Abb. 1 Druckhöhenverlust

Die Grenzschicht kann ggf. vom Körper ablösen (Grenzschichtablösung). Dieser Vorgang tritt in Strömungsgebieten auf, in denen der von der Außenströmung der Grenzschicht aufgeprägte statische Druck in Strömungsrichtung ansteigt. Durch die Grenzschichtablösung wird die Außenströmung von der Wand abgedrängt. Hinter der Ablösestelle bildet sich ein Totwassergebiet, das stark von Wirbeln durchsetzt ist. Die Strömungsgeschwindigkeiten in diesem Totwassergebiet sind nach Größe und Richtung ungeordnet und teilweise strömt das Totwasser sogar zurück (Rückströmungseffekt). Die Ablösestrecke hinter der Ablösestelle liefert keinen wesentlichen Reibungswiderstand mehr. Aufgrund des Totwassers tritt eine Druckwiderstandserhöhung auf, die die Verkleinerung des Reibungswiderstandes bei weitem übertrifft. So erhöht sich der gesamte Strömungswiderstand eines Körpers mit Grenzschichtablösung stark. Dessen Strömungsablösungen sollten durch konstruktive und strömungstechnische Maßnahmen wie durch Formstücke, Düse oder Leitvorrichtung möglichst vermieden werden.

Eine spezielle Art der Strömungsablösung stellt die Ablöseblase dar, wie sie bei Strömungsprofilen entsteht, wenn die Grenzschicht kurz hinter einer laminaren Ablösung turbulent wird und so wieder zum Anliegen kommt. In gekrümmten Kanälen oder rotierenden Systemen ist das Gleichgewicht, das in der Außenströmung zwischen den Druckkräften einerseits und Trägheitskräften andererseits besteht, aufgrund der kleineren Strömungsgeschwindigkeiten in der Grenzschicht gestört. Die Folge sind dreidimensionale Sekundärströmungen. 

Die Grenzschicht spielt bei Rohrströmungen eine wichtige Rolle. So liegt häufig bei Rohreinläufen eine konstante Geschwindigkeitsverteilung vor. An der Wand bildet sich jedoch eine Grenzschicht aus, die mit zunehmender Entfernung vom Rohreinlauf dicker wird. Die von der Reibungswirkung noch nicht erfasste Kernströmung wird dabei beschleunigt, bis nach einer Anlauflänge die Grenzschicht voll ausgebildet ist. Weiter stromab ändert sich dann das Geschwindigkeitsprofil der Rohrströmung nicht mehr.

Grenzschicht