Turbulenzen in Rohren sind nicht von Dauer
Wissenschaftler in Deutschland und den Niederlanden haben gezeigt, dass der Zustand der Turbulenzen in Flüssigkeiten und Gasen, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit fließen, anderes als bisher angenommen nicht permanent ist. Die Studie zeigte genauer als jemals zuvor, dass Turbulenzen in Rohrströmungen mit der Zeit verschwinden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. In der Fluiddynamik beschreiben Turbulenzen einen Zustand von chaotischen, zufälligen Veränderungen. Ein nicht-turbulenter oder gleichmäßiger Fluss wird als "laminar" bezeichnet. Wenn die Geschwindigkeit ansteigt, geht der Fluss irgendwann von einem laminaren in einen turbulenten Zustand über. Dieser Übergang wird bis zu einem gewissen Grad von den inneren Kräften der beteiligten Moleküle kontrolliert: Wenn die Beschleunigungskräfte größer sind als die inneren Kräfte, welche die Moleküle zusammenhalten, treten unruhige Strudel auf, es bilden sich Wirbel und der Zug schwankt. Geschwindigkeit ist ein zentraler Faktor bei Turbulenzen, aber Objektgröße und Viskosität spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Bisher nahmen Forscher an, dass eine turbulente Strömung, die mit konstant hoher Geschwindigkeit fließt, auch turbulent bleibt. Die von Dr. Björn Hof vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen, Deutschland, geleitete Studie hat Hinweise gefunden, die das Gegenteil beweisen. Turbulenzen verringern die Energieeffizienz von Geräten wie Kanäle, Rohre und Gasturbinen. Dementsprechend wird viel für eine Verringerung von Turbulenten geforscht. "Turbulente Strömungen verbrauchen mehr Energie als laminare Strömungen", sagte Dr. Hof, "und sind deshalb oft unerwünscht, etwa in Ölpipelines." Das Team schuf Wasserwirbel in einem Meter langen Glasrohren von unterschiedlichen Weiten mithilfe eines konstanten Druckkopfes. Um Fluktuationen aufgrund eines Zuges zu vermeiden, wurde ein konstanter Widerstand hinzugefügt, die Temperatur wurde streng konstant gehalten, um Veränderungen der Viskosität zu vermeiden. Sie verfolgten daraufhin die Bewegung der "Turbulenzstöße" entlang des Rohrs und berechneten die Wahrscheinlichkeit, mit der dieser Wirbel unversehrt das Ende des Rohres erreichte oder abflachte. Die Geschwindigkeit der Wirbel wurde mithilfe der Laser-Doppler-Anenometrie gemessen. Die Forscher konnten dann die "Verfallsrate" der Turbulenz mit einer Genauigkeit interpretieren, die bisher noch nie erreicht wurde. "Um unterscheiden zu können, ob die Turbulenzen stabil oder nur sehr, sehr langlebig sind, mussten wir genau messen", erklärt Dr. Hof. "Unsere Messungen zeigen, dass jede turbulente Strömung in einem Rohr zwangsläufig laminar wird." Der Übergang läuft alles andere als schnell ab - je nach Geometrie des Rohrs, kann dies Jahre dauern - aber er ist unabwendbar. Eine komplette, genaue Beschreibung von Turbulenzen ist eine der kommenden Herausforderungen der physikalischen Wissenschaften. Die aktuelle Studie stellt einen Fortschritt in diesem Bereich dar, obwohl sie sich nicht mit dem Wesen von Turbulenzen außerhalb von Rohren befasst. Aufbauend auf ihrem neuen Wissen, glauben die Wissenschaftler, dass es möglich sein könnte, die Lebensdauer von Turbulenzen in Rohren zu verkürzen, was zu signifikanten Energieeinsparungen führen könnte.
Länder
Deutschland, Niederlande