Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Von kleinen Wirbelflecken zur Turbulenz

12.07.2011
Max-Planck-Forscher beobachten Entstehung von Turbulenzen

Turbulenz ist ein bislang weitgehend ungeklärtes Phänomen, das von immenser Bedeutung für eine Vielzahl von Anwendungen ist. Eine besonders wichtige Anwendung ist der Transport von Flüssigkeiten und Gasen durch Rohre. Hier sind Turbulenzen unerwünscht, denn sie kosten viel Energie, beispielsweise beim Transport von Öl durch Pipelines.


Turbulente Szenen in einem Wasserrohr: ein Wirbelfleck spaltet sich in zwei (von links nach rechts). MPI for Dynamik und Selbstorganisation

An der grundlegenden Frage, bei welcher Fließgeschwindigkeit sich erstmalig Turbulenzen in einer gleichmäßig strömende Flüssigkeit ausbreiten können, haben sich Fluiddynamiker seit über einem Jahrhundert die Zähne ausgebissen. Nun haben Forscher um Björn Hof vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen dieses Rätsel gelöst.

Sie untersuchten kleine Wirbel, die entweder absterben oder sich teilen und so als Keime für größere Turbulenzen wirken. Die Forscher bestimmten die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, bei der mehr Wirbel neu entstehen als wieder verschwinden und somit den Umkipppunkt zur Turbulenz.

Für viele Typen von Strömungen haben Wissenschaftler im letzten Jahrhundert herausgefunden, bei welchem Fließtempo die gleichmäßige Strömung anfällig für kleinste Störungen wird und plötzlich in eine turbulente Strömung umkippt. Bei Rohrströmungen allerdings funktioniert diese Methode nicht, da hier Turbulenzen nur auftreten, wenn schon eine kleine Verwirbelung in der Strömung vorhanden ist. Solche Wirbelflecken entstehen schon an kleinen Unebenheiten der Rohrwand und können sich dann entweder ausbreiten oder auch wieder absterben.

Wirbelflecken, müssen über eine weite Fließstrecke im Rohr beobachtet werden, um ihr Werden und Vergehen zu studieren. Das Umkippen ist ein zudem statistischer Prozess, was das Experiment erschwert. „Es ist vergleichbar mit der Ausbreitung einer ansteckenden Krankheit“, sagt Björn Hof vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen. Bei einer Epidemie gibt es zwei gegenläufige Effekte: die Häufigkeit, mit der Menschen sich gegenseitig anstecken und andererseits das Tempo der Heilung. Je nachdem, welcher der beiden konkurrierenden Prozesse stärker ist, breitet sich die Epidemie aus oder nicht. Dies ist bei der Turbulenzentstehung ähnlich. Die konkurrierenden Effekte sind das Aufspalten von Wirbelflecken, deren Anzahl dadurch zunimmt und das selbstständige Verschwinden der Flecken.

Wegen der statistischen Natur der Turbulenzentstehung müssen sehr viele Beobachtungen gemacht werden, um eine quantitative Aussage machen zu können. Beide Probleme haben die Göttinger Forscher gelöst. Zum einen haben sie die Wirbel in einem 15 Meter langen Rohr mit vier Millimeter Durchmesser beobachtet. Zum anderen haben sie rund 1000000 Messungen gemacht. Sie erzeugten am Anfang der Strecke einen Wirbel-Fleck und bestimmten mit Hilfe von Drucksensoren bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten, ob sich dieser Wirbel auf der Messstrecke aufspaltete oder ob er von selbst wieder verschwand.

Für jede dieser Geschwindigkeiten konnten sie jeweils die Wahrscheinlichkeit angeben, mit der sich ein Wirbelfleck teilt oder mit der er verschwindet.

Erstere Wahrscheinlichkeit wächst mit dem Tempo, letztere nimmt mit der Fließgeschwindigkeit ab. Es gibt einen Punkt, wo die beiden Wahrscheinlichkeiten sich gleichen. Geht man von dort zu größeren Geschwindigkeiten, entstehen deutlich mehr neue Wirbel als alte verschwinden. Es ergibt sich eine Art Lawineneffekt und die Turbulenz bricht sich ihre Bahn. Dieser Punkt ist der gesuchte Umkipppunkt. Die Forscher simulierten ihr Experiment darüber hinaus im Computer, wobei sie eine exzellente Übereinstimmung mit den Messergebnissen feststellten.

Aus dem Durchmesser, der Fließgeschwindigkeit und der Viskosität des Wassers, einem Maß für die innere Reibung der Flüssigkeit, ergibt sich eine Kennzahl, die so genannte Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl wächst mit der Fließgeschwindigkeit an. Dem Umkipppunkt entspricht ein bestimmter Wert dieser Zahl, den Experten die kritische Reynolds-Zahl nennen. Diesen Wert bestimmten die Göttinger Forscher mit einer Genauigkeit von 10 auf 2040. Mithilfe des Wertes für die kritische Reynolds-Zahl lässt sich der Umkipppunkt auch für andere Flüssigkeiten ermitteln. „Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt hin zu einem besseren Verständnis, wie Turbulenzen im allgemeinen in Scherströmungen, die nicht nur in Rohren, sondern auch um Autos oder Flugzeuge auftreten, entstehen“, sagt Hof. Ein solches Verständnis könnte genutzt werden, um Techniken zu entwickeln, die Turbulenzen mit geringem Energieaufwand im Keim ersticken.

Dies könnte viel Energie sparen. So könnte etwa der Druck, mit dem Öl durch Pipelines gepresst wird, beim Ausbleiben von Turbulenzen deutlich vermindert werden. „Allerdings müssen wir den Mechanismus wie sich Wirbelflecken aufspalten noch besser verstehen, damit wirksame Kontrolltechniken entwickelt werden könnten“, räumt Hof ein. „Aber wir arbeiten mit Nachdruck daran, diese Mechanismen besser zu verstehen“, so Hof. Als sehr wichtig stuft er eine grundlegende Erkenntnis ein, die das Experiment gebracht habe. „Wir konnten zeigen, dass die Turbulenzentstehung im Rohr zu einer bestimmten Klasse von Übergängen, den so genannten Nichtgleichgewichts-Phasenübergängen, gehört“, sagt Hof.

Originalveröffentlichung:
Kerstin Avila, David Moxey, Alberto de Lozar, Marc Avila, Dwight Barkley,
Björn Hof
The Onset of Turbulence in Pipe Flow
Science, 10.1126/science.1203223
Kontakt:
Dr. Björn Hof
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Tel.: +49 551 5176-510
E-Mail: bjoern.hof@ds.mpg.de

Dr Harald Rösch | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ds.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie