Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Rohrströmungen turbulent werden

10.09.2004


Eine internationale Forschergruppe unter Marburger Beteiligung fand heraus, wie Rohrströmungen turbulent werden. Ihre Erkenntnisse können helfen, den Strömungswiderstand in Pipelines zu verringern. Am 10. September 2004 werden sie im US-amerikanischen Wissenschaftsjournal Science veröffentlicht.


Experimentell bestimmte Strukturen in der Rohrströmung bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten.
Aus den gemessenen Geschwindigkeitsfeldern wird die Wirbelstärke bestimmt; Gebiete besonders starker Wirbel werden eingefärbt. Die Farben zeigen an, ob die Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgt. Die laufenden Wellen wurden in Situationen wie in dem unteren Bild identifiziert.
Copyright: Casimir van Doorne


Sowohl die experimentell bestimmten (obere Reihe) als auch die theoretisch berechneten Strömungsfelder (untere Reihe) zeigen die charakteristischen Wirbel und Streaks. In beiden Fällen sind die instantanen Strömungsfelder in einer Querschnittsfläche des Rohrs gezeigt. Die Pfeile deuten die Geschwindigkeiten in der Ebene und damit die Wirbel an. Die Farben zeigen die Abweichungen der Strömungsgeschwindigkeit längs der Rohrachse vom laminaren Profil an; Gebiete mit höherer beziehungsweise niedrigerer Geschwindigkeit sind rot beziehungsweise blau markiert.
Copyright: Philipps-Universität Marburg



Eine internationale Forschergruppe von der Technischen Universität Delft (Niederlande), der Philipps-Universität Marburg, der Universität Bristol (Großbritannien) und der Universität Wisconsin (USA) hat einen wichtigen Beitrag zur Lösung des Turbulenzrätsels - dem Übergang von laminaren ("glatten" Strömungen ohne Verwirbelungen) zu "turbulenten" Strömungen - geleistet. In Experimenten am Strömungskanal in Delft ist es gelungen, in einer turbulenten Strömung in einem Rohr eine besondere Form von Wirbeln, so genannte laufende Wellen, nachzuweisen. Die Ergebnisse werden am 10. September 2004 unter dem Titel "Experimental observation of nonlinear traveling waves in turbulent pipe flow" im US-amerikanischen Wissenschaftsjournal Science veröffentlicht.



Die experimentellen Befunde unterstützen eine Hypothese, derzufolge eine turbulente Strömung sich um einige wenige laufende Wellen herum organisiert. Theoretisch waren die laufenden Wellen von den Gruppen in Marburg und Bristol bereits vorhergesagt worden, nun sind sie experimentell nachgewiesen. Von ihren Arbeiten aus dem Bereich der Chaosforschung versprechen sich die Wissenschaftler auch Ideen und Konzepte, die zu einer Klärung von Aspekten des Turbulenzübergangs in Scherströmungen beitragen können. Anwendung finden können die Ergebnisse unter anderem bei der Verringerung des turbulenten Strömungswiderstands in Röhren, wie sie in großer Zahl in der Verfahrenstechnik und in Pipelines für den Transport von Öl und Gas eingesetzt werden.

Turbulenz im Alltag und in den Naturwissenschaften

Turbulente Strömungen sind aus dem Alltag wohlbekannt, seien es die Bewegung der uns umgebenden Luft und Wolken, die Strömung von Flüssen oder die Wirbel beim Umrühren des Kaffees. Strömungen durch Rohre treten ebenfalls häufig auf: in der Verfahrenstechnik, in Wasserleitungen, aber auch in der Luftröhre oder den Blutbahnen.

In den Naturwissenschaften ist die Turbulenz ein herausragendes Beispiel für eine komplexe, chaotische und durch Nichtlinearitäten dominierte Bewegung. Während ihre quantitative Beschreibung für Forscher nach wie vor eine große Herausforderung bleibt, bringt sie in der Praxis meist Nachteile, da der Strömungswiderstand einer turbulenten Strömung größer als der einer laminaren Strömung ist und zudem schneller mit der Strömungsgeschwindigkeit anwächst.

Von Laminar nach Turbulent

Der Übergang von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung lässt sich leicht am Beispiel eines Wasserhahns demonstrieren. Bei vorsichtigem Aufdrehen kommt erst ein glatter, laminarer Strahl heraus (jedenfalls dann, wenn der Strahl nicht durch ein Sieb aufgewirbelt wird): Die Flüssigkeitsteilchen darin bewegen sich parallel und geordnet nebeneinander her. Wird der Hahn weiter aufgedreht, kommt es zu einem Überschlag vom glatten zu einem verwirbelten, undurchsichtigen Strahl: Die Strömung wird turbulent.

Schon Leonardo da Vinci hielt Turbulenz im Jahr 1529 in eindrucksvollen Zeichnungen fest. Eine grundlegende quantitative Untersuchung des Übergangs veröffentlichte Osborne Reynolds im Jahr 1883: Er beobachtete die Wirbel im turbulenten Fall und stellte fest, dass der Übergang nicht nur von der Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch von der Stärke einer Störung abhängt. Reynolds fand auch heraus, dass verschiedene Flüssigkeiten, die durch verschieden dicke Rohre fließen, sich mit Hilfe derselben Kennzahl, der nach ihm benannten Reynoldsschen Zahl, zueinander in Bezug setzen lassen - Strömungen mit der gleichen Reynoldsschen Zahl verhalten sich also gleichartig. Diese dimensionslose Zahl (eine Zahl ohne Einheiten) berechnet sich aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, der kinematischen Viskosität und dem Durchmesser des Rohrs.

Ein neues theoretisches Modell

Die Rohrströmung weist eine Besonderheit auf: Wenn sich bei ihr das laminare Strömungsprofil einmal eingestellt hat und nur schwach gestört wird, bleibt es bei allen Strömungsgeschwindigkeiten bestehen. Erst bei Störungen genügend großer Amplitude wird der laminare Zustand verlassen und es stellt sich eine turbulente Strömung ein. Damit koexistieren im Falle der Rohrströmung immer die laminare Bewegung und die turbulente. Zudem zeigen numerische Untersuchungen, wie sie schon seit einiger Zeit in Marburg durchgeführt werden, dass der turbulente Zustand nicht dauerhaft besteht, sondern nach einer, wenn auch manchmal sehr langen Zeit, wieder zerfallen kann.

Die Marburger Physiker Professor Dr. Bruno Eckhardt und Dr. Holger Faisst haben dieser Beobachtung nun noch ein quantitatives Maß hinzugefügt: Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Strömung nach einer bestimmten Zeit noch turbulent ist, fällt exponentiell mit der Zeit ab, und die Halbwertszeit einer turbulenten Strömung steigt sehr schnell mit der Reynoldszahl an. Dieses Verhalten ist von anderen chaotischen Systemen bekannt und deutet auf die Existenz eines so genannten chaotischen Sattels hin. Entscheidend für die weitere Bestätigung dieses Bildes war die Identifikation der Zustände, um die herum sich dieser Sattel bildet.

Anfang des Jahres 2003 konnte Eckhardt bei einem Vortrag in Delft erstmals die in numerischen Rechnungen gefundenen Strukturen präsentieren: Es handelt sich um langgestreckte Wirbel, die in Strömungsrichtung orientiert sind. Diese Wirbel transportieren Flüssigkeit, die sich langsam an den Wänden entlang bewegt, in die Mitte des Rohrs und schnelle Flüssigkeit von der Mitte hin zu den Wänden. Ein Querschnitt durch das Rohr zeigt darum Regionen, so genannte streaks, in denen eine gegenüber dem laminaren Strömungsprofil erhöhte beziehungsweise erniedrigte Strömungsgeschwindigkeit herrscht. Solche streaks gehören zu den Hauptindikatoren für den Wirbeltransport. Die Delfter Experimente haben nun sowohl Streaks als auch Wirbel in eindrucksvoller Weise nachgewiesen.

Das Experiment

Im Labor für Aero- und Hydrodynamik der Technischen Universität Delft haben der niederländische Doktorand Casimir van Doorne und der deutsche Postdoktorand Dr. Björn Hof, ein ehemliger Studierender der Philipps-Universität, unter Anleitung von Professor Frans Nieuwstadt und Professor Jerry Westerweel ein Experiment aufgebaut, mit dem sich die Rohrströmung genau vermessen lässt. An einer Messstelle des etwa dreißig Meter langen Aufbaus werden die Flüssigkeitspartikel mit einem aufgefächerten Laserstrahl beleuchtet und stereoskopisch mit zwei Hochgeschwindigkeitskameras fotografiert. Aus zwei kurz hintereinander aufgenommenen Bildern lassen sich dann die Orte und Geschwindigkeitsvektoren der Teilchen rekonstruieren. Mit Hilfe dieser stereoskopischen "particle image velocimetry" (PIV) lässt sich das lokale Geschwindigkeitsfeld in einer Querschnittsfläche vermessen.

Induziert man stromaufwärts gezielt eine Störung, zeigen sich, während diese Störung an der Messstelle vorbeiströmt, im Querschnitt die Wirbel und vor allem die charakteristischen Streaks. Weil ihre Zahl, Breite, Position und zeitliche Entwicklung gut mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen, können die theoretisch vorhergesagten Strukturen nun als identifiziert gelten und weiteren Untersuchungen unterzogen werden.

Weitere Informationen:

Professor Dr. Bruno Eckhardt: Philipps-Universität Marburg, derzeit erreichbar in den USA unter Tel.: +1 (301) 326 3399, E-Mail: bruno.eckhardt@physik.uni-marburg.de

Dr. Björn Hof: Labor für Aero- und Hydrodynamik der Technischen Universität Delft, Tel. +31 (15) 2782905, E-Mail: b.hof@wbmt.tudelft.nl

Thilo Körkel | idw
Weitere Informationen:
http://www.sciencemag.org
http://www.uni-marburg.de

Weitere Berichte zu: Rohrströmung Strömungsgeschwindigkeit Wirbel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau