Péclet-Zahl

Die Péclet-Zahl (nach Jean Claude Eugène Péclet) ist eine dimensionslose Kennzahl, welche bei Transportprozessen das Verhältnis von konvektiven zu diffusiven Flüssen auf einer charakteristischen Länge $$ L $$ wiedergibt. Sie findet sowohl bei Fragen des Wärme- wie auch des Stofftransportes Verwendung und wird mit $$ Pe $$ abgekürzt.

Wärmetransport

In der Thermodynamik entspricht die Péclet-Zahl dem Produkt von Reynolds-Zahl $$ Re $$ und Prandtl-Zahl $$ Pr $$ und ist definiert als:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): Pe = {L \cdot v \over a} = {L \cdot v \cdot \rho \cdot c_p \over \lambda} = {L^2 \cdot \rho \cdot c_p \over \lambda \cdot t} = {Re \cdot Pr}

Mit:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): a - Temperaturleitfähigkeit (in SI-Einheiten: m²/s)
Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \lambda - Wärmeleitfähigkeit (in SI-Einheiten: W/(m K))
Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \rho - Dichte (in SI-Einheiten: kg/m³)
Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): c_p - spezifische Wärmekapazität (in SI-Einheiten: J / (kg K))
Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): L - Charakteristische Länge (in SI-Einheiten: m)
$$ t $$ - Charakteristische Zeit (in SI-Einheiten: s)
Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): v - Geschwindigkeit (in SI-Einheiten: m/s)

Stofftransport

Bei Stofftransport ergibt sich die Péclet-Zahl als Produkt von Reynolds-Zahl und Schmidt-ZahlFehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): Sc und ist definiert als:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): Pe = {L \cdot v \over D} = {Re \cdot Sc} .

Mit:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): D - Diffusionskonstante (in SI-Einheiten: m²/s)

Anwendung findet die Péclet-Zahl zum Beispiel bei der numerischen Berechnung von Transportprozessen. Aufgrund des gleichzeitigen Vorkommens von advektiven und diffusiven Flüssen sind die beschreibenden Differentialgleichungen von einem gemischt hyperbolisch-parabolischem Typ. Die Berechnung der Péclet-Zahl erlaubt dann eine Abschätzung, welcher Typ überwiegt und daher die Wahl eines geeigneten numerischen Verfahrens.

Numerik

Löst man nun die advektive-konvektive Transportgleichung mittels eines Finite Differenzen- oder Finite Elemente-Verfahrens auf einem diskreten Gitter, so definiert man eine sogenannte Zellen- Péclet-Zahl, in der die charakteristische Länge Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): L dann die Zellengröße des Gitters Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Delta x darstellt. Sie ergibt sich damit als

Pe={\Delta x\cdot v \over D}={\Delta x\cdot v \over a}

.

Für die Garantie der Stabilität des numerischen Verfahrens muss dann sichergestellt werden, das die Zellen- Péclet-Zahl stets kleiner als eine obere Schranke (je nach Art der numerischen Methode meistens <2) ist. Dies bedeutet dann, dass bei konvektiv-dominantem Transport, d.h. großes Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): v bzw. kleines Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): a oder Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): D in obiger Formel, die Zellengröße u. U. sehr klein gewählt werden muss, was den numerischen Aufwand beträchtlich erhöhen kann.

Siehe auch: Wärmeübertragung, Wärmeübergangszahl, Dimensionsanalyse.