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Die hydrodynamische Grenzschicht, oft auch einfach als "Grenzschicht" bezeichnet, ist der Bereich eines strömenden Fluids an einer Wand, in der die Reibung einen Einfluss ausübt.

Die Grenzschichttheorie ist ein Sondergebiet der Strömungsmechanik, das sich mit "Flüssigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung" beschäftigt. Dies ist der Titel eines Vortrags, den Ludwig Prandtl 1904 auf dem Heidelberger Mathematiker-Kongreß gehalten hat. Er ist der Vater der Grenzschichttheorie und hat sie mit diesem Vortrag eingeführt. Er teilte die Strömung in der Umgebung eines Körpers in zwei Gebiete auf:

1. in eine Außenströmung, in der man die Reibung vernachlässigen kann und
2. in eine dünne Schicht in der Nähe des Körpers, die er "Grenzschicht" nannte, in der die Reibung eine wesentliche Rolle spielt.

Für hinreichend kleine Reynolds-Zahl (Re) ist die hydrodynamische Grenzschicht laminar, d. h. alle Teile der Grenzschicht einer parallelen Strömung sind der Hauptströmung gleichgerichtet, die Geschwindigkeit nimmt infolge Reibung vom Rand zur Hauptströmung einer negativen quadratischen Funktion folgend bis zur Maximalgeschwindigkeit zu, wo der wandferne Rand der Grenzschicht liegt. In Strömungsrichtung nimmt die Dicke der hydrodynamischen Grenzschicht zu, in Kanälen oder Rohren können die hydrodynamischen Grenzschichten von beiden Seiten her zusammenwachsen, womit die laminare Strömung voll ausgebildet und die Geschwindigkeit parabolisch über dem Querschnitt verteilt ist.

Bei hohen Reynoldszahlen ist die Strömung turbulent, d. h. innerhalb der hydrodynamischen Grenzschicht können die Teile der Strömung bis hinab in den molekularen Bereich jede Richtung annehmen, ihre Dicke bleibt jedoch eng begrenzt. In der Hauptströmung bleibt die Geschwindigkeit konstant verteilt ("Kolbenströmung"). Der Wert der Reynoldszahl für den Übergang zur Turbulenz hängt von der betrachteten Geometrie und anderen Faktoren ab. Bei der Strömung durch ein Rohr, technisch übliche Wandrauhigkeiten vorausgesetzt, liegt der Wert ungefähr bei 2300.

Die Kenntnis des Verhaltens der hydrodynamischen Grenzschichten an um- oder überströmten Körpern ist sehr wichtig vor allem für die Konstruktion im Flugzeugbau (Tragflügel), Turbinenbau (Turbinenschaufeln) oder Fahrzeugbau (Karosseriegestaltung) sowie im Schiffbau (Umströmung des Schiffrumpfes, des Ruders und der Propellerflügel).

Literatur

• Götsch, Ernst - Luftfahrzeugtechnik, Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8

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