Strömungen durch Rohre und Rohrleitungen sind meist turbulent. Bisher wurde angenommen, dass eine turbulente Strömung stets turbulent bleibt. Forscher am Institute of Science and Technology Austria haben jetzt gezeigt, dass dies nicht der Fall ist und bis zu 95 % Pumpenergie eingespart werden kann.
Turbulenzen erhöhen den Reibungswiderstand...
Von Wasser über Öl bis hin zu Erdgas wird weltweit eine enorme Menge an Flüssigkeiten und Gasen in Rohren transportiert. Die für den Transport benötigte Pumpenergie ist beträchtlich und beträgt etwa 10 % des globalen Stromverbrauchs. Es ist daher wenig überraschend, dass Forscher weltweit intensiv daran arbeiten, diese Kosten zu verringern. Turbulenz verursacht einen drastischen Anstieg des Reibungswiderstandes in Rohren und bewirkt somit, dass sehr viel mehr Energie benötigt wird, um die Flüssigkeit durch Rohre zu pumpen. Bisherige Ansätze zielten darauf ab, die Amplituden der Turbulenz lokal zu verringern. Jetzt hat die Forschungsgruppe am IST Austria unter der Leitung von Professor Björn Hof einen völlig neuen Zugang gewählt: anstatt die Turbulenz temporär zu schwächen konnte sie die Turbulenz derart destabilisieren, dass sie zerfiel und die Strömung laminar wurde. Die Wissenschaftler beobachteten auch, dass die Strömung danach laminar blieb. Eine turbulente Strömung in eine laminare umzuwandeln kann bis zu 95% der benötigten Pumpenergie einsparen.
... und können umgewandelt werden
Bei der sogenannten laminaren Strömung fließt die Flüssigkeit in parallelen Schichten, die sich nicht vermischen. Gewissermaßen das Gegenteil davon ist die turbulente Strömung, welche durch Wirbel und chaotische Fluktuationen in Druck und Geschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit charakterisiert ist. Die meisten Strömungen, die wir in der Natur und der Technik beobachten, sind turbulent – vom aufsteigenden Rauch einer gelöschten Kerze zum Blutfluss in der linken Herzkammer. Es wurde bis jetzt angenommen, dass Turbulenz in Rohren stabil ist. Die Bemühungen, Energiekosten zu sparen, konzentrierten sich daher nur darauf, das Ausmaß der Turbulenz zu verringern und nicht darauf, sie komplett zu tilgen. In ihrem Grundsatzbeweis zeigten die Forscher nun, dass diese Annahme falsch war, und dass eine turbulente Strömung tatsächlich vollständig in eine laminare umgewandelt werden kann. Die Strömung bleibt danach laminar, sofern sie nicht wieder gestört wird. "Niemand wusste, dass es möglich ist, Turbulenz in der Praxis relativ leicht wieder loszuwerden. Wir haben nun gezeigt, dass es zu schaffen ist. Dadurch ergeben sich auch völlig neue Möglichkeiten, um energiesparende Anwendungen für Pipelines zu entwickeln", erklärt Ko-Erstautor Jakob Kühnen ( vgl. Jakob Kühnen, Baofang Song et al., Destabilizing turbulence in pipe flow, Nature Physics, 2017)
Ziel: Ein flaches Geschwindigkeitsprofil
Das Geheimnis liegt im Geschwindigkeitsprofil, also im Verlauf der Fließgeschwindigkeit über den Querschnitt des Rohres. Die Flüssigkeit fließt in der Mitte des Rohrs am schnellsten und in der Nähe der Wände viel langsamer. Indem die Forscher Rotoren in die Strömung platzierten, die den Unterschied zwischen der Fließgeschwindigkeit in der Mitte und an den Wänden reduzierten, erzielten die Forscher ein viel „flacheres“ Geschwindigkeitsprofil. Bei solchen Strömungsprofilen scheitern die physikalischen Mechanismen, die turbulente Wirbel erhalten und erzeugen, und die Flüssigkeit kehrt zurück in eine reibungsarme, laminare Bewegung. Sie bleibt laminar, bis sie das Ende des Rohres erreicht. Ein anderer Weg, um ein flaches Geschwindigkeitsprofil zu erreichen, ist, Flüssigkeit von den Wänden einzudüsen. Ein weiterer Weg, um ein flaches Geschwindigkeitsprofil zu erzielen, war, Teile des Rohres zu verschieben: indem die Forscher die Wände in einem Bereich des Rohres schnell bewegten, erreichten sie dasselbe flache Profil, das den laminaren Fluss wiederherstellte.
Anwendung in Öl- und Wasser-Pipelines
Die Forscher haben bereits zwei Patente für ihre Entdeckungen angemeldet. Um ihre erfolgreichen Konzeptnachweis-Experimente in eine alltagstaugliche Anwendung überzuführen, welche tatsächlich in Öl- und Wasser-Pipelines in der ganzen Welt verwendet werden kann, bedarf es allerdings noch einiger weiterer Entwicklungsarbeit. Bisher wurde das Konzept für eher geringere Geschwindigkeiten experimentell bewiesen. In Pipelines werden jedoch Anwendungen benötigt, die bei größeren Geschwindigkeiten funktionieren. In Computersimulationen allerdings führte ein flaches Geschwindigkeitsprofil immer zu einer erfolgreichen Beseitigung der Turbulenz, was für zukünftige Entwicklungen vielversprechend ist. "In Computersimulationen haben wir die Auswirkung von flachen Geschwindigkeitsprofilen für Reynoldszahlen bis zu 100.000 getestet, und es hat immer funktioniert. Der nächste Schritt ist jetzt, dies auch für hohe Geschwindigkeiten in Experimenten zu schaffen", sagt Professor Björn Hof. (fei)