Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wirbel vor der Hochgeschwindigkeitskamera

10.02.2006


Teilchen in der Turbulenz. Die kleinen Perlen in dieser Darstellung visualisieren jedes zweite Bild, aufgenommen von einer Hochgeschwindigkeitskamera, also ein Bild alle 74 Mikrosekunden. Die großen Perlen entsprechen jedem 30. Bild, sie sind also nur 2,2 Millisekunden auseinander. Die Farbe der Kügelchen gibt die Geschwindigkeit der Teilchen wieder - blaue Teilchen sind sehr langsam, während die roten Teilchen sogar Geschwindigkeiten bis zu einem Meter pro Sekunde erreichen. Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation


25 Mikrometer große Kugeln aus Polystyrol werden von einer Strömung verwirbelt. Die Teilchen wurden mit einem grünem Laser beleuchtet und der Verschluss der Kamera offen gehalten, so dass die Teilchenbahnen als Streifen sichtbar sind. Das beleuchtete Volumen ist etwa fünf Zentimeter breit. Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation


Göttinger Max-Planck-Forscher weisen nach, wie kleinste Teilchen in Turbulenzen auseinander fliegen - und beantworten eine seit Jahrzehnten offene Frage


Turbulenzen treten überall auf: In der Sonne ebenso wie im Milchkaffee, im Verbrennungsmotor wie in der Biologie. Für Naturwissenschaftler und Ingenieure zählen sie zu den seit langem nicht verstandenen Problemen. Nun ist es Forschern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und der Cornell University, USA, gemeinsam mit Kollegen des Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels des CNRS (UMR) in Grenoble, Frankreich, sowie vom Risø National Laboratory in Roskilde, Dänemark, erstmals gelungen, Jahrzehnte alte theoretische Vorhersagen über die Ausbreitung von Teilchen in starken Turbulenzen einem experimentellen Test zu unterziehen. Mit einem eigens entwickelten System von Hochgeschwindigkeitskameras wiesen sie nach, dass sich die Teilchen anders und langsamer auseinander bewegen als bislang angenommen. Ihre Ergebnisse können dazu dienen, bessere Modelle zum Transport und zur Ausbreitung von Chemikalien oder biologischen Substanzen zu entwickeln (Science, 10. Februar 2006).

Turbulenzen sind allgegenwärtig: Wenn man Milch in den Kaffee gießt und umrührt, strudelt die Milch turbulent durch den Kaffee. In Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen mischen sich die Verbrennungsgase effektiver, je turbulenter sie strömen. Und Biologen wollen wissen, wie Tiere Beute oder Partner mit Hilfe von Duftstoffen finden, die von turbulenten Wind- oder Wasserströmungen transportiert werden. Turbulenzen entscheiden auch darüber, wie wahrscheinlich sich chemische Reaktionspartner treffen und miteinander reagieren: So bestimmen sie, wie sich Verschmutzungen oder Gifte in der Atmosphäre oder den Ozeanen ausbreiten und welche Schwankungen sich damit verbinden. Auch bei der Entstehung von Wolken spielen Turbulenzen eine wichtige Rolle, oder in den Modellen zum Ozonabbau in der Atmosphäre.

Turbulenz entsteht, wenn Flüssigkeiten oder Gase schnell bewegt und über größere Strecken getrieben werden. Man erkennt sie erst richtig, wenn "Teilchen" in einer Strömung verwirbelt werden - zum Beispiel, wenn Blätter im Herbstwind tanzen oder wenn Autos auf der nassen Autobahn Nebelfetzen hinter sich lassen. Was dabei genau passiert, wird seit Jahrzehnten erforscht. Eine der ältesten Fragen ist: Wie schnell werden anfänglich nahe beieinander liegende Teilchen von der Turbulenz auseinander getrieben? Der Brite Lewis Fry Richardson sagte in den 1920er-Jahren voraus, dass der mittlere quadratische Abstand zweier Flüssigkeitsteilchen mit der dritten Potenz der Zeit anwachse. Dieses "Richardson-Obukhov-Gesetz" wird vielfach angewandt, um das Mischen der Turbulenz zu beschreiben. Es setzt allerdings voraus, dass die Ausbreitung der Strömung - aufgrund der hohen Komplexität der Turbulenzen - nicht vom Anfangsabstand der Teilchen abhängt.


In der 1950er-Jahren postulierte der Australier George Batchelor in Cambridge daher eine andere Ausbreitungsformel, die im Gegensatz zum Richardson-Obukhov-Gesetz durchaus vom anfänglichen Abstand der Teilchen abhängt. Batchelor behauptete, die Ausbreitung der Strömung wachse quadratisch mit der Zeit an und das Richardson-Obukhov-Gesetz werde erst nach einer von ihm berechneten Zeit wirksam.

Nun ist es einem amerikanisch-deutschen -französischen Forscherteam um Prof. Eberhard Bodenschatz erstmals gelungen, beide Theorien experimentell zu testen. Dazu gaben sie kleinste Teilchen in eine turbulente Wasserströmung (Abbildung 1). Dann maßen sie die Bewegungen der Teilchen mit Hilfe eines Teilchenverfolgungssystems, das aus drei Hochgeschwindigkeitskameras und einem sehr hellen Laser besteht (Abbildung 2, 3). Die Kameras registrierten 25 000 Mal pro Sekunde den Abstand von Teilchen in Abhängigkeit ihres anfänglichen Abstandes. Die Messung entspricht damit in etwa der millionenfachen Messung der Bewegung zweier Schneeflocken in einem Schneesturm, und zwar bei Millisekunden-Auflösung über Minuten hinweg.

Die Forscher fanden beste Übereinstimmung mit der Vorhersage von Batchelor, jedoch keine Übereinstimmung mit dem Richardson-Obukhov-Gesetz. Entgegen der allgemeinen Erwartung scheint das von Batchelor postulierte Gesetz der Bewegung von Teilchen in fast alle turbulenten Strömungen auf Erden zu bestimmen: Der Anfangsabstand der Teilchen scheint für fast alle turbulenten Strömungen auf Erden wichtig zu sein. Die Messungen zeigten auch, dass sich die Teilchen langsamer auseinander bewegen als ursprünglich angenommen.

Die Ergebnisse könnten nun Auswirkungen auf eine Vielzahl von Forschungs- und Anwendungsfeldern haben, vom effektiven Mischen von Stoffen in der Industrie bis zur Modellierung des Inneren von Sternen.

Das Projekt wurde gefördert durch die National Science Foundation, USA, die Cornell University, USA, sowie die Max-Planck-Gesellschaft.

Originalveröffentlichung:

Mickaël Bourgoin, Nicholas T. Ouellette, Haitao Xu, Jacob Berg, Eberhard Bodenschatz
The Role of Pair Dispersion in Turbulent Flow
Science, 10 February 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Hochgeschwindigkeitskamera Strömung Teilchen Turbulenz

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bienen brauchen es bunt
20.08.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Künstliche Enzyme aus DNA
20.08.2018 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Universum Studie: Internationalität und Praxisbezug sind Erfolgsfaktoren der ISM

20.08.2018 | Unternehmensmeldung

Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

20.08.2018 | Energie und Elektrotechnik

Metamolds: Eine Gussform für eine Gussform

20.08.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics