Wirbel (Strömungslehre)

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Als Wirbel bezeichnet man in der Strömungslehre Kreisströmungen eines Fluids. Sie entstehen aufgrund unterschiedlichster Ursachen, z.B.

• wenn Wasser aus einem Becken in ein Abflussrohr strömt
• wenn Körper einer laminaren Strömung Reibungswiderstand leisten, wie das bei einem bewegten Auto, Flugzeug oder Schiff der Fall ist.

Die Muster, die auf der zur Bewegungsrichtung entgegengesetzten Seite entstehen, nennt man für umströmte Zylinder "Karmansche Wirbelstraße". Bei höheren Geschwindigkeiten treten immer mehr kleinere scheinbar chaotische Wirbel auf, so dass der Strömungswiderstand extrem ansteigt. Dieses Szenario entspricht dem Übergang zur Turbulenz. Bei voll ausgebildeter Turbulenz sind Wirbel auf allen Größenskalen vorhanden.

Im globalen Wettergeschehen spielen häufig Wirbelströme eine wichtige Rolle. Die Strömungen der Luft von einem Hoch- zu einem Tiefdruckgebiet sind immer wirbelförmig und niemals direkt.

Am Anfang der theoretischen Beschreibung der Wirbel für inkompressible Fluide (nicht-komprimierbare Flüssigkeiten, beispielsweise Öl; <math>\mbox{div}\, \vec{v}=0</math>) steht das Rotationsfeld

<math>\vec{\omega}=\mbox{rot}\, \vec{v},</math>

das dem Wirbelfeld entspricht.

Erzwungener Wirbel

Ein erzwungener Wirbel ist ein rotationsbehafteter Wirbel.

<math>\mbox{rot}\, \vec{v}\neq 0</math>

Ein extremer Typus einer solchen Strömung ist der Festkörperwirbel, wenn sich z.B. nach entsprechend langer Anlaufzeit eine Flüssigkeit in einem Gefäß auf einem Drehteller mit konstanter Winkelgeschwindigkeit <math>\Omega</math> als starrer Körper dreht.

Potentialwirbel

Der Potentialwirbel oder freie Wirbel ist ein klassisches Beispiel einer rotationsfreien Potentialströmung.

<math>\mbox{rot}\, \vec{v}=0</math>

Beim freien Wirbel bewegen sich alle Fluidpartikel auf konzentrischen Kreisbahnen. Dadurch ist eine völlig andere Geschwindigkeits- und Druckverteilung als beim Festkörperwirbel gegeben. In der rotationsfreien Strömung gilt die Bernoulli-Gleichung.
Beispiel für einen Potentialwirbel: Badewannenablauf

Meine Frage: Was ist der Grund, bzw. wie entsteht ein wirbel in der natur, und warum?

D.S.