Badania dowodzą, że turbulencje w rurach zanikają z czasem
Naukowcy z Niemiec i Holandii wykazali, że wbrew powszechnemu przekonaniu stan turbulencji obserwowany w cieczach i gazach płynących z dużą prędkością nie jest zjawiskiem stałym. Ich badania wykazują z niespotykaną dotąd precyzją, że w przypadku przepływu w rurze, turbulencje zanikają z czasem. Wyniki badań opisano w czasopiśmie Physical Review Letters. W dynamice cieczy, turbulencja oznacza stan chaotycznych, przypadkowych zmian. Przepływ bez turbulencji, czyli równy, określa się jako uwarstwiony. Wraz ze wzrostem prędkości, w którymś momencie przepływ uwarstwiony zamienia się w burzliwy (turbulentny). Zmiana wynika do pewnego stopnia z wewnętrznych sił oddziałujących na molekuły uczestniczące w przepływie - kiedy siły przyśpieszenia są większe od wewnętrznych sił utrzymujących molekuły razem, pojawiają się niestabilne wiry i opór zaczyna się zmieniać. Najważniejszym czynnikiem w turbulencjach jest prędkość, ale rozmiar obiektu i lepkość również odgrywają istotną rolę. Dotychczas naukowcy byli przekonani, że kiedy turbulencje się zaczną, stan taki pozostanie bez zmian tak długo, jak utrzymywana będzie prędkość. Jednakże w trakcie badań prowadzonych przez dr Bj�rna Hofa z Instytutu Dynamiki i Samoorganizacji im. Maxa Plancka w Getyndze, w Niemczech, odkryto dowody zaprzeczające temu twierdzeniu. Turbulencje obniżają wydajność instalacji, takich jak kanały, rurociągi i turbiny gazowe. Stąd możliwości zredukowania turbulencji są przedmiotem intensywnych badań. "Przepływ burzliwy wymaga większej energii niż przepływ uwarstwiony" - mów dr Hof. "W wielu zastosowaniach, jak np. rurociągi naftowe, turbulencje są więc źródłem problemów." Zespół wywoływał wiry w strumieniu wody przepływającej przez jednometrowe szklane rury o różnych średnicach, stosując stałe ciśnienie. Zapewniono stały opór, aby zapobiec fluktuacjom, które mogłyby powstać w wyniku jego zmiany, a w celu uniknięcia zmian lepkości, utrzymywano dokładnie taką samą temperaturę. Następnie zespół śledził ruch "podmuchów turbulentnych" w rurce i obliczał prawdopodobieństwo, z jakim podmuch dotrze do końca, albo zostanie zniwelowany. Prędkość podmuchów mierzono za pomocą laserowego anemometru dopplerowskiego. Dzięki temu naukowcy byli w stanie zinterpretować "współczynnik wygasania" turbulencji z niespotykaną dotąd dokładnością. "Aby móc rozróżnić, czy turbulencje są zjawiskiem stałym albo tylko o długiej żywotności, nasze pomiary musiały być niezwykle dokładne" - wyjaśnia dr Hof. "Pomiary wskazują na to, że każdy przepływ burzliwy musi przejść w przepływ uwarstwiony." Zmiana nie zachodzi w żadnym wypadku szybko - w zależności od geometrii rury, może nawet trwać lata - ale ostatecznie jest nieunikniona. Pełny i dokładny opis turbulencji jest jednym z największych wyzwań dla fizyków. Obecne badania stanowią postęp w tej dziedzinie, choć nie zajmują się naturą turbulencji poza rurami. Pogłębiając dalej znajomość tematu, naukowcy są przekonani, że być może uda się skrócić czas trwania turbulencji w rurach, co dałoby znaczne oszczędności energii.
Kraje
Niemcy, Niderlandy