(In)stationäre Strömungen

Ein stationärer Zustand ist immer dann gegeben, wenn die beschreibenden Zustandsgrössen nicht von der Zeit abhängen. Eine stationäre Strömung liegt also vor, wenn an einer beliebigen Stelle im Strömungsfeld die Geschwindigkeit, der Druck sowie die Fluideigenschaften konstant bleiben. Streng genommen trifft dies nur auf die in technischen Anwendungen selten vorkommende ungestörte oder voll ausgebildete laminare Strömung zu. In diesem Fall kann ein Steady-state Solver zur Lösung der Aufgabenstellung verwendet werden.

Nach obiger Definition kann eine stationäre Strömung nur im Beharrungszustand auftreten; eine turbulente Strömung, Anlauf- oder Auslaufvorgänge fallen damit nicht darunter. Gleiches gilt auch für Schall- oder Verdichtungsstösse. Sobald ein instationärer Strömungszustand vorliegt, entstehen durch das lokale Beschleunigen bzw. Verzögern des Fluids zusätzliche Massenkräfte, die entsprechende Druckänderungen verursachen. Für die numerische Simulation bedeutet dies den Einsatz eines Transienten Solvers, der auch die entsprechende Zeitintegration miteinbezieht. Die notwendige Zeitschrittweite hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die zu erwartende Änderung der Zustandsgrössen abläuft. Der numerische Aufwand steigt demzufolge stark an.

Ist die Änderung der Zustandsgrössen einer instationären Strömung periodisch, ergibt die zeitliche Mittelung des Strömungsfeldes einen konstanten Zustand. Für hinreichend kleine Frequenzen der Schwankungen kann dann die instationäre Strömung als quasi stationäre Strömung betrachtet werden. Sind die Bedingungen gegeben, führt dies entsprechend zu deutlich geringeren Rechenzeiten.