Mehrphasenströmungen
Strömungen in Technik und Natur sind nicht nur auf eine einzige Phase eines Fluids beschränkt, sondern umfassen vielfach zwei oder mehrere Phasen. Der Begriff Phase beinhaltet in diesem Zusammenhang nicht nur die verschiedenen Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig, sondern umfasst auch die unterschiedlichen Bereiche nicht mischbarer Flüssigkeiten. Auch die Definition Fluid ist hier weiter gefasst. Neben Flüssigkeiten und Gasen sind auch bewegliche Festpartikel gemeint. Die Partikelströmung ist daher als ein Teilgebiet der Zwei- oder Mehrphasenströmung anzusehen.
Zwei- oder Mehrphasenströmungen treten in den verschiedensten Kombinationen auf: Zwei Aggregatzustände eines Stoffes bis hin zu gleichen oder unterschiedlichen Aggregatzuständen verschiedener Stoffe. Als ein Beispiel für eine Einkomponenten-Zweiphasenströmung wäre die Blasenströmung bei Siedevorgängen zu nennen. Ist der Volumenanteil einer Phase dominant, wird diese Phase als kontinuierlich und die entsprechend andere als diskontinuierlich bzw. dispersiv bezeichnet. Je kleiner der Anteil der dispersiven Phase, desto weniger beeinträchtigt sie in der Regel die kontinuierliche. Beispielsweise beeinflusst Rauch, zu verstehen als wenige, kleine Festkörperpartikel in einer Gasströmung, die kontinuierliche Phase kaum, wohingegen bei einer geschichteten Strömung, Gas und Flüssigkeit sind separiert, eine starke Interaktion vorhanden ist. Es gibt davon aber auch Ausnahmen, wie bei chemischen Reaktionen oder Verbrennungsvorgängen. Hier können schon wenige Anteile der dispersiven Phase eine starke Beeinflussung der kontinuierlichen Strömung bewirken.
Allein dieser kurze Abriss über Zwei- oder Mehrphasenströmungen zeigt, wie vielschichtig und physikalisch komplex dieses Thema ist. Wie bei der Turbulenz besitzen Zwei- oder Mehrphasenströmungen oftmals mikroskopisch kleine Strukturen, die eine direkte Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen im Ingenieuralltag derzeit unmöglich machen. Aus diesem Grund wird auch hier das Arbeiten mit zeitlich gemittelten Werten unabdingbar.
Zwei-Fluid-Formulierung
Ein allgemeingültiger Ansatz zur Beschreibung der Zwei- oder Mehrphasenströmung erfolgt mit dem Euler-Euler-Modell bzw. der Zwei-Fluid-Formulierung. Hier wird jede Phase als kontinuierliches Fluid betrachtet, d.h. für jede Phase liegt im Strömungsgebiet an jedem Ort und zu jedem Zeitpunkt ein eigener Satz an Zustandsgrössen vor. Die Mittelung muss in jedem Kontrollvolumen, Element bzw. Zelle, für jede Phase und jede Grösse separat erfolgen. Zur Kopplung der beiden Phasen werden zusätzliche Erhaltungsgleichungen für Impuls, Energie und Masse unter Berücksichtigung des jeweiligen lokalen Volumenanteils eingeführt. Die Turbulenz kann durch ein gemeinsames oder durch individuelle Turbulenzmodelle abgebildet werden.
Es liegt auf der Hand, dass durch diese Formulierung der numerische Aufwand im Vergleich zu Einphasenströmung erheblich ansteigt. Aus diesem Grund wurden andere, vereinfachte Modelle für verschiedene Klassen von Zwei- und Mehrphasenströmungen entwickelt. Unter anderem für:
