Animation Strömung Sprungdiffusor

Wenn sich der Strömungsquerschnitt entlang der Strömungsrichtung durch ein Bauteil aufweitet, spricht man von einem Diffusor. Durch die Vergrößerung des Querschnitts folgt aus der Kontinuitätsgleichung, dass die Geschwindigkeit abnimmt. Aufgrund der Energieerhaltung steigt der statische Druck des Fluids an. Das beschreibt die grundlegende Funktionsweise des Diffusors.

Die Besonderheit des Sprungdiffusors ist die schlagartige Querschnittserweiterung. Schlagartig bedeutet in dem Fall, dass es keinen Übergang zwischen dem kleinen und großen Querschnitt gibt. Das Fluid, das den Diffusor durchströmt, hat kann sich dem veränderten Querschnitt nicht anpassen und reißt ab. Es bilden sich Wirbel in den „toten“ Ecken aus. Dieses wirbelgefüllte Gebiet nennt man Totwassergebiet. Das Totwassergebiet bildet einen stetigen Übergang zwischen den Querschnitten, wie es bei einem herkömmlichen Diffusor durch die Berandung vorgegeben ist. In welchem Winkel sich der Querschnitt öffnet und wie lang somit das Totwassergebiet ist, hängt von der Anströmgeschwindigkeit ab. Die Länge des Totwassergebiets entspricht in der Regel dem Fünf- bis Zehnfache des großen Durchmessers. In der Animation ist zu sehen, wie durch das Erhöhen der Geschwindigkeit das Totwassergebiet anwächst. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Diffusor, treten beim Sprungdiffusor höhere Druckverluste in Form von Stoßverlusten auf.

Diese Druckverluste lassen sich analytisch herleiten. Der Druckverlust wird definiert als die Differenz zwischen dem idealen Druck nach Bernoulli (Energieerhaltung) und dem stoßverlustbehafteten Duck, der mit Hilfe des Impulssatzes berechnet wird. (Energiedissipation in Wärme)

Das Beispiel des Sprungdiffusors eignet sich auf Grund der analytischen Lösung und des einfachen geometrischen Aufbaus als Validierung für numerische Simulationen.