22.04.2010 · Warum genau laminare Strömungen über einem Schwellenwert in Turbulenzen übergehen, weiß man zwar immer noch nicht genau. Dafür haben Wissenschafter jetzt ein Verfahren entwickelt, das Wirbel mit Wirbeln dämpft.
Von Horst Rademacher
© MPIDS
Eine zeitliche Abfolge von Querschnitten im Rohr, wobei sich der Bildausschnitt mit der Strömung mitbewegt. Die zunächst turbulente Strömung (bunte Markierungen) wird nach und nach laminar.
Will man Flüssigkeiten oder Gase durch Rohrleitungen pumpen, sind bisweilen beträchtliche Mengen an mechanischer Energie erforderlich. Wie viel Arbeit dabei geleistet werden muss, hängt zunächst von der Viskosität der Flüssigkeit ab. So ist es schwieriger, zähflüssiges Rohöl durch eine Pipeline zu pumpen, als die gleiche Menge an Wasser durch ein Rohr zu leiten. Einen erheblichen Einfluss auf die notwendige Pumpenergie hat aber auch die Art und Weise, wie sich eine Flüssigkeit durch das Rohr bewegt. Verhält sich die Strömung ruhig und gleichmäßig – ist der Fluss also laminar –, wird weitaus weniger Pumpleistung gebraucht als bei einem turbulenten Durchfluss.
Bei extrem starken Turbulenzen kann es sogar zu Schäden an den Rohrleitungen kommen. Deshalb sucht man nach Wegen, turbulente Strömungen zu unterdrücken oder zu verhindern. Forscher vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und von der Harvard University in Cambridge (Massachusetts) haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich turbulente Strömungen in einem Rohr auf recht einfache Weise beruhigen und in einen laminaren Fluss überführen lassen.
Turbulenzen über dem Schwellenwert
Physiker beschreiben das Verhalten strömender Flüssigkeiten in einer Rohrleitung mit der sogenannten Reynoldszahl. In deren Berechnung gehen neben der Viskosität einer Flüssigkeit der Rohrdurchmesser und die Fließgeschwindigkeit ein. Bei langsamem Tempo ist die Strömung gewöhnlich laminar. Erhöht man die Geschwindigkeit, können sich Turbulenzen bilden. Obwohl das Verhalten turbulenter Strömungen schon seit fast hundertdreißig Jahren untersucht wird, ist bis heute immer noch nicht klar, warum in den meisten Fällen Turbulenzen entstehen, wenn die Reynoldszahl den Wert von etwa 1700 übersteigt.
Die Forscher um Björn Hof ließen für ihre Versuche Wasser durch ein zwölf Meter langes und drei Zentimeter dickes Glasrohr strömen. Die Wand des Rohrs war an mehreren Stellen mit Ventilen versehen. Dort konnten die Forscher Wasser einspritzen und so gezielt Wirbel im Rohr erzeugen. Um das Verhalten der Strömung beobachten zu können, reicherten die Forscher die Flüssigkeit mit winzigen reflektierenden Partikeln an. Wurden sie mit Laserlicht bestrahlt, ließ sich aus der Bewegung der Teilchen auf den momentanen Zustand der Strömung schließen. Bei einer laminaren Strömung flossen die Teilchen geordnet durch das Rohr. Turbulenzen dagegen verwirbeln die Partikeln.
Wirbel gegen Wirbel
Für ihre Versuche spritzten die Forscher in bestimmten Intervallen zusätzliches Wasser durch die Ventile in die strömende Flüssigkeit. Jeder Spritzer erzeugte einen kleinen Wirbel, der von der Strömung in Richtung Ausfluss transportiert wurde. Als Hof und seine Kollegen genügend häufig Wasser hinzugaben, begannen die einzelnen Wirbel, die nun dicht aufeinander im Rohr folgten, sich gegenseitig zu beeinflussen. Der jeweils nachfolgende Wirbel dämpfte die Energie des vorangehenden. Die Situation war vergleichbar mit zwei auf gleichem Kurs hintereinander herfahrenden Segelbooten, die sich gegenseitig den Wind aus den Segeln nehmen.
Nach einer gewissen Zeit begann sich die Strömung im Rohr zu beruhigen, und das Wasser floss wieder ruhig und gleichmäßig, was sich am Fließverhalten der aufleuchtenden Teilchen feststellen ließ. Wie Hof und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“ (Bd. 327, S. 1491) berichten, haben sie dank ihres Verfahrens nur ein Fünftel der Energie aufgewendet, die sie normalerweise dafür benötigt hätten, das Wasser mit den Wirbeln durch das Rohr zu transportieren. Die Wissenschaftler wollen nun untersuchen, wie sich die kontrollierte Erzeugung von Wirbeln in turbulent fließenden Flüssigkeiten im technischen Maßstab verwirklichen lässt. Dann könnte beispielsweise der Fluss von Rohöl durch eine Pipeline auch bei höheren Fließgeschwindigkeiten laminar gehalten werden, wodurch große Mengen an Energie gespart würden.
