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Göttingen Göttinger Forscher gewinnen Erkenntnisse über Form der Turbulenz
Campus Göttingen Göttinger Forscher gewinnen Erkenntnisse über Form der Turbulenz
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19:48 11.07.2013
Elasto-inertiale Turbulenz: verwirbelte Gebiete durchsetzen die gesamte Strömung.
Elasto-inertiale Turbulenz: verwirbelte Gebiete durchsetzen die gesamte Strömung. Quelle: Dubief
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Göttingen

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 Verwirbelungen durchsetzen immer die ganze Strömung.

Die neuen Erkenntnisse helfen zu verstehen, warum die Zugabe von Polymeren Ölströmungen in Pipelines beruhigt.

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.

Entstehen von Turbulenz

„Besonders in der Ölindustrie ist die Methode verbreitet“, erklärt 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 sie 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 Devranjan Samanta.

In ihren Messungen stießen die Forscher auf eine Überraschung. „Wir entdeckten ein Verhalten, das sich deutlich von dem unterscheidet, 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.

Senkrechte Wirbel

„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 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 Christian Wagner, Universität des Saarlandes. Zusammen mit seinem Team hat er 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-inertialer 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.

Normale Turbulenz

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.“

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 mikroskopischen Durchmessern tritt elasto-inertiale Turbulenz schon früh auf – und dürfte somit für Anwendungen in der Mikrofluidik eine wichtige Rolle spielen.

eb/chb