Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vorübergehendes Chaos: Paradigmenwechsel in Turbulenzforschung

07.09.2006
Nature-Publikation von internationaler Forschergruppe belegt "transientes Chaos": Turbulente Strömungen in Rohren zerfallen wieder - Team um Marburger Physiker erwartet weit reichende Konsequenzen für das Verständnis turbulenter Zustände

Noch geht die physikalische Fachwelt davon aus, dass turbulente Rohrströmungen mit den Mitteln der statistischen Mechanik erfassbar sind und als dauerhafter Zustand gelten können. Nun aber hat eine internationale Forschergruppe um den theoretischen Physiker Professor Dr. Bruno Eckhardt von der Philipps-Universität Marburg in der Publikation "Finite lifetime of turbulence in shear flows", die im renommierten Fachjournal Nature erscheint (Nature, 7. September 2006; 442 (7107)), neue Ergebnisse veröffentlicht. Mit ihrer "verblüffenden Entdeckung" (Eckhardt) widersprechen sie einem zentralen und für gut belegt gehaltenen Paradigma der Turbulenzforschung: Turbulente Strömungen in Röhren, so der Kern der Aussage, gehen entgegen bisheriger Ansicht von selbst wieder in eine gleichförmige, "laminare" Strömung über. Mit einem Fachbegriff ausgedrückt: Das chaotische Strömungsverhalten in Röhren ist transient, also vorübergehend. Physiker, angewandte Mathematiker und selbst Astronomen, die über die Entstehung von Galaxien forschen, dürften nun ihre theoretischen Modelle überdenken müssen.

Gemeinsam mit Dr. Björn Hof von der britischen University of Manchester, Professor Dr. Jerry Westerweel von der niederländischen Delft University of Technology und Dipl.-Phys. Tobias M. Schneider von der Philipps-Universität führt Eckhardt in Nature überzeugende theoretische wie auch experimentelle Belege für seine Hypothese an. "Unsere Ergebnisse", so der Leibnizpreisträger des Jahres 2002, "haben weit reichende Konsequenzen für unser Verständnis der Natur des turbulenten Zustands und für die Beeinflussung turbulenter Strömungen."

Turbulenz tritt gemeinhin bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten auf, wie sie etwa in der Luft um ein fahrendes Auto oder ein Flugzeug oder eben in einem flüssigkeitsdurchströmten Rohr bei ausreichend hohem Druck vorkommen. "Trotz der Allgegenwart des Problems ringt man aber weiter um eine zuverlässige Beschreibung", sagt Eckhardt. Grund dafür sei, dass sich turbulente Strömungsfelder nicht analytisch fassen lassen, sondern dass man für ihre Beschreibung auf Experimente und numerische Verfahren angewiesen ist.

Verstärkt noch durch Ergebnisse aus der Chaosforschung habe sich in den letzten Jahrzehnten die Vorstellung durchgesetzt, dass eine turbulente Strömung als eigenständiger Zustand aufzufassen sei, in dem ein Fließgleichgewicht herrsche. Denn einerseits erzeugen die in der Flüssigkeit aneinander reibenden Flüssigkeitsschichten Wärme. Dabei geht der Turbulenz Energie verloren, sodass die Strömung von selbst wieder zur Rückkehr in den laminaren Zustand tendieren sollte. Gleichzeitig aber wird der Strömung durch den Druckunterschied zwischen Anfang und Ende des Rohrs auch Energie zugeführt, sodass die Turbulenz schließlich doch - und zwar auf Dauer - erhalten bleibt. Genau dieser Vorstellung, dass der Druckunterschied den turbulenten Zustand auf Dauer aufrecht erhält, widersprechen Eckhardt und seine Kollegen nun.

Die experimentelle Überprüfung ihrer Hypothese stellte allerdings besondere Anforderungen. "Eine turbulente Strömung durch einen Gartenschlauch, der einmal um den Äquator gewickelt ist", so schätzen die Wissenschaftler ab, "müsste durchschnittlich fünf Jahre lang fließen, bis man beobachten könnte, dass die Strömung wieder zerfällt." Zwar nicht anhand eines Gartenschlauchs, sondern mittels eines dreißig Meter langen Kupferrohrs im Keller des Physikgebäudes in Manchester sowie mithilfe numerischer Simulationen auf dem neuen MARC-Hochleistungsrechner der Philipps-Universität belegten die Forscher, dass die am Beginn des Rohrs angeregte Turbulenz schlussendlich wieder zerfällt.

"Allerdings steigt ihre Lebensdauer in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern exponentiell sehr stark an", so Eckhardt. Für ein beispielhaftes städtisches Abwasserrohr von sechzig Zentimetern Durchmesser wurde auf Basis der neuen Ergebnisse sogar eine Abklingzeit von 10 hoch 3000 Jahren errechnet - verglichen damit ist nicht einmal das Alter unseres Universums, runde 14 Milliarden Jahre, eine nennenswerte Zahl. Diese Umstände dürften zumindest zum Teil erklären, warum man bislang von einer dauerhaften Turbulenz ausging. "Unsere Beobachtungen zeigen aber darüber hinaus", so Eckhardt, "dass das Netzwerk von Strömungszuständen komplizierter und komplexer ist als bisher angenommen und eine andere Beschreibungs- und Betrachtungsweise erfordert."

Die Ergebnisse der internationalen Forschergruppe sind von Bedeutung für die mathematische Beschreibung turbulenter Strömungen, für deren (praktische) Beeinflussbarkeit und für eine Reihe von Anwendungen etwa im Bereich der Astrophysik. Die Möglichkeit, dass die Strömung wieder zerfällt, bedeutet unter anderem, dass sich eine turbulente Rohrströmung mit minimalem Energieaufwand wieder in einen laminaren Zustand überführen lassen sollte. Astrophysiker dürften sich für Eckhardts Ergebnisse insbesondere im Zusammenhang mit dem Phänomen der Akkretion interessieren. Dabei ziehen kosmische Objekte wie Sterne oder Schwarze Löcher aufgrund ihrer Schwerkraft Materie aus der Umgebung an. Im Zuge der entstehenden turbulenten Materieströme bilden sich dann Planetensysteme oder ganze Galaxien.

"Unsere Ergebnisse sind allerdings so verblüffend", sagt Eckhardt, "dass sie sicherlich kritische Überprüfungen herausfordern werden." Diese werden sich voraussichtlich nicht nur auf Rohrströmungen, sondern auch auf verwandte Strömungssituationen beziehen. Doch Eckhardt, Hof, Westerweel und Schneider sind sich sicher: "Mit dem transienten Chaos im Rohr haben wir für einen weiteren Typ nichtlinearer Dynamik eine Realisierung in einer Strömung gefunden."

Angesichts ihrer weit reichenden Bedeutung wird die Arbeit des internationalen Forscherteams auch in der "news & views"-Rubrik des Nature-Magazins unter dem Titel "Lost in transience" kommentiert.

Kontakt
Professor Dr. Bruno Eckhardt: Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Physik,
Renthof 5, 35032 Marburg
Tel.: (06421) 28 21316, E-Mail: bruno.eckhardt@physik.uni-marburg.de

Thilo Körkel | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-marburg.de
http://www.physik.uni-marburg.de/kosy/Eckhardt

Weitere Berichte zu: Rohrströmung Turbulenzforschung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden
19.10.2017 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Gravitationswellen: Sternenglanz für Jenaer Forscher
19.10.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Aufräumen? Nicht ohne Helfer

19.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen

19.10.2017 | Materialwissenschaften

Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden

19.10.2017 | Physik Astronomie