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Turbulenz mit neuen Wirbeln

20.06.2013
Eine völlig neue Form der Turbulenz erklärt, warum Öl mit einer geringen Konzentration an Polymer mit weniger Reibung durch Pipelines fließt.

Eine neue Art der Turbulenz hat ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) in Göttingen und der Universität des Saarlandes entdeckt. Der chaotische Zustand, den die Wissenschaftler als elasto-inertiale Turbulenz bezeichnen, tritt beispielsweise in Polymerlösungen auf – und folgt einer völlig anderen Choreographie als die gewöhnliche Turbulenz, die ruhige Wasserläufe in wild durcheinander wirbelnde Ströme verwandelt. So kennt die elasto-inertiale Turbulenz keine räumlich begrenzten Wirbelregionen; die chaotischen Verwirbelungen durchsetzen immer die ganze Strömung. Die neuen Erkenntnisse helfen zu verstehen, warum die Zugabe von Polymeren Ölströmungen in Pipelines beruhigt.


Bei der „normalen“ Turbulenz erstrecken sich die turbulenten Wirbel in Strömungsrichtung. Orange kennzeichnet Regionen, die in der Strömung verwirbelt, Blau solche, die gestreckt werden.
Grafik: Yves Dubief


Bei der elasto-inertialen Turbulenz durchsetzen turbulente Gebiete die gesamte Strömung. Zudem sind sie senkrecht zur Strömungsrichtung orientiert. Orange kennzeichnet Regionen, die in der Strömung verwirbelt, Blau solche, die gestreckt werden. Grafik: Yves Dubief

In Öl-Pipelines sind Turbulenzen ein Ärgernis. Wenn das Öl bei hohen Fließgeschwindigkeiten beginnt, wie ein Gebirgsbach zu sprudeln und zu gluckern, erhöht dies die Reibung der Strömung dramatisch – und damit die Energiemenge, die erforderlich ist, um das Öl durch die Leitung zu pumpen. Die Betreiber solcher Pipelines setzen deshalb auf einen Trick: Sie fügen dem Öl eine winzige Menge sehr langkettiger Polymere wie zum Beispiel Polyacrylamid zu. Die Reibungsverluste lassen sich dadurch um bis zu 80 Prozent verringern. Auch in Heizungs- und Bewässerungssystemen können Polymere für weniger Reibung im Betrieb sorgen.

„Besonders in der Ölindustrie ist die Methode verbreitet“, erklärt Dr. Björn Hof, der am MPIDS und am Institute of Science and Technology Austria forscht. „Trotzdem war bisher noch nicht wirklich verstanden, was genau die Polymere bewirken“, ergänzt er. In ihrer neuen Studie untersuchen die Göttinger und Saarbrücker Forscher gemeinsam mit Kollegen der University of Vermont (USA) und der University of Edinburgh (Schottland) erstmals systematisch, wie die Molekülketten das Entstehen von Turbulenz in Wasserströmungen beeinflussen.

Dafür ließen die Forscher eine Lösung aus Polyacrylamid und Wasser durch ein 3,6 Meter langes, gerades und durchsichtiges Rohr mit einem Durchmesser von nur vier Millimetern strömen. „Durch lokale Druckmessungen oder mit Hochgeschwindigkeitskameras können wir verfolgen, wie sich turbulente Regionen auf ihrer Reise durch das Rohr entwickeln“, sagt Dr. Devranjan Samanta, der am MPIDS und an der Universität des Saarlandes forscht.

In ihren Messungen stießen die Forscher auf eine Überraschung. „Wir entdeckten ein Verhalten, das sich deutlich von dem unterschiedet, das beispielsweise Wasser, Öl oder Luft zeigen“, sagt Hof.

Wenn sein Team die Fließgeschwindigkeit von Wasser in einem langen Rohr nach und nach erhöht, wird zunächst nicht die gesamte Strömung turbulent. Stattdessen entstehen nur stellenweise turbulente Wirbel: räumlich begrenzte Gebiete innerhalb der ansonsten ruhigen Strömung, in denen das Wasser wild durcheinander sprudelt. Bei steigenden Fließgeschwindigkeiten breitet sich die Turbulenz immer weiter aus.

„Lokalisierte Wirbel konnten wir in den Polymerlösungen nicht finden“, so Hof. Dort betrifft der Übergang zur Turbulenz schlagartig die gesamte Strömung. Zudem erstrecken sich die Wirbel nicht wie etwa in reinem Wasser in Strömungsrichtung, sondern senkrecht dazu. „Außerdem zeigen unsere Messungen, dass die Reibungsverluste bei dieser Art der Turbulenz deutlich geringer sind als bei der gewöhnlichen“, sagt Hof. „Bei den höchsten Fließgeschwindigkeiten, die wir im Experiment erreicht haben, konnten wir diese Verluste auf ein Drittel reduzieren“, ergänzt er. Bei höheren Geschwindigkeiten sind noch stärkere Unterschiede zu erwarten.

„All das zeigt uns, dass wir es mit einer völlig anderen Art der Turbulenz zu tun haben“, erklärt Prof. Dr. Christian Wagner von der Universität des Saarlandes. Zusammen mit seinem Team hat der Physiker die Polymerlösungen vor und nach den Experimenten genau charakterisiert. Da der neue Zustand nur in Flüssigkeiten auftritt, in denen elastische Phänomene und Trägheitskräfte eine Rolle spielen, sprechen die Forscher von elasto-inertialen Turbulenz. Bei Polymerkonzentrationen von mehr als zwei Gramm Polyacrylamid auf einen Liter Wasser erfolgt der Übergang von der ruhigen Strömung zur elasto-inertial-turbulenten bei deutlich geringeren Fließgeschwindigkeiten, als der von der ruhigen zur „normalen“ turbulenten Strömung in Wasser.

Bei stärker verdünnten Lösungen, wie sie etwa in der Ölindustrie eingesetzt werden, tritt Turbulenz dagegen erst bei höheren Fließgeschwindigkeiten auf als bei reinem Wasser oder Öl. Allerdings entsteht dort zunächst stellenweise die normale Turbulenz, wird jedoch bei steigender Geschwindigkeit von der elasto-inertialen Verwirbelung verdrängt, die dann sofort die ganze Strömung ergreift. „Dieser Wechsel von einer Art der Turbulenz zur anderen ist bislang übersehen worden“, sagt Hof. Wagner ergänzt: „Auch für uns waren die Ergebnisse zunächst überraschend.“

In früheren Experimenten hatten die Wissenschaftler mit ihrem Versuchsaufbau bewiesen, dass in reinem Wasser die Wirbel nach extrem langen Zeiten plötzlich zerfallen und sich die Strömung wieder beruhigt. „Dieses grundsätzliche Verhalten haben wir auch bei den stark verdünnten Polymer-Lösungen beobachtet“, so Samanta. Allerdings verschwanden die Wirbel darin bei derselben Fließgeschwindigkeit im Schnitt deutlich schneller. „Unser Experiment zeigt deutlich, dass die Zugabe von Polymeren den Übergang von einer ruhigen zu einer turbulenten Strömung herauszögert“, bilanziert Hof.

„Dieser Effekt ist durchaus plausibel“, ergänzt der Physiker. Denn anders als Wasser- und Ölmoleküle sind die sehr langkettigen Polymermoleküle elastisch – und können somit die inneren Bewegungen der Strömung abfedern. Numerische Rechnungen, in denen Dr. Yves Dubief von der University of Vermont die Strömungen im Rohr simulierte, untermauern das Ergebnis.

Die Ergebnisse sind weit mehr als eine Bestätigung für die Betreiber von Ölpipelines. Denn die Forscher zeigen zudem, dass der Durchmesser des Rohres, durch das die Flüssigkeit strömt, entscheidend ist. Bei kleinen, eventuell sogar mikroskopischen Durchmessern tritt elasto-inertiale Turbulenz schon früh auf – und dürfte somit für Anwendungen in der Mikrofluidik eine wichtige Rolle spielen.

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

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