Schubspannungsgeschwindigkeit

Die Schubspannungsgeschwindigkeit $ u_{*} $ ist in der Hydrodynamik eine Maßzahl für die Schubspannung, die eine Schicht eines strömenden Fluids auf eine benachbarte Schicht oder eine Grenzfläche ausübt. Sie berechnet sich aus der Schubspannung $ \tau $ über

$ u_{*}={\sqrt {\tau /\rho }} $

mit $ \rho $ der Dichte des Fluids.

In turbulenten Medien wird die Schubspannung durch den turbulenten Transport dominiert. Die Komponenten des Schubspannungsvektors errechnen sich dann aus den Elementen des Reynoldschen Schubspannungstensors:

$ \tau _{x}=-\rho \cdot {\overline {u'w'}} $

$ \tau _{y}=-\rho \cdot {\overline {v'w'}} $

wobei $ u $ und $ v $ die beiden Geschwindigkeitskomponenten parallel (x- und y-Richtung) und $ w $ senkrecht (z-Richtung) zur Grenzfläche sind. Die gestrichenen Größen wie $ u'=u-{\overline {u}} $ sind dabei die Abweichungen vom Mittelwert. Die beiden Kovarianzen $ \tau _{x} $ und $ \tau _{y} $ können dabei auch als die turbulenten Flüsse in z-Richtung des Impulses in x- bzw. y-Richtung interpretiert werden. Die Schubspannungsgeschwindigkeit ist die Wurzel des Betrages dieses Vektors:

$ u_{*}={\sqrt {|{\vec {\tau }}|/\rho }}={\sqrt {{\sqrt {\tau _{x}^{2}+\tau _{y}^{2}}}/\rho }}={\sqrt {\sqrt {{\overline {u'w'}}^{2}+{\overline {v'w'}}^{2}}}} $

Bei der Herleitung des logarithmischen Windprofils über den Mischungsweglängenansatz nach Ludwig Prandtl wird angenommen, dass die mittlere Windrichtung und die Richtung der Schubspannung zusammenfallen. Das Koordinatensystem wird so definiert, dass die x-Achse parallel zur mittleren Windrichtung liegt und somit $ {\overline {v}}=0 $ ist und es wird die Annahme gemacht, dass $ \tau _{y}=0 $ ist. In diesem Falle wird:

$ u_{*}^{2}=-{\overline {u'w'}} $

Literatur

• Erich Truckenbrodt: Grundlagen und elementare Strömungsvorgänge dichtebeständiger Fluide. In: Fluidmechanik. 4. Auflage. Band 1. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1996, ISBN 978-3-540-79017-4.