Turbulenzen gegen Turbulenzen

Erdöl strömt über Tausende von Kilometern durch Pipelines, wobei Turbulenzen die Strömung bremsen. Mit Pumpen lässt sich ein ausreichender Durchfluss aufrechterhalten, doch für deren Betrieb sind immense Strommengen nötig. Forscher entwickelten nun eine Methode, die diesen Strombedarf um bis zu 90 Prozent senken könnte. In der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten sie, wie sie durch zusätzliche Verwirbelungen wieder eine gleichförmige Strömung ohne Turbulenzen erzeugten.

Zunächst simulierten Marc Avila vom Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologien und Mikrogravitation in Bremen im Computer die Turbulenzen, die in Röhren bei schnell fließenden Flüssigkeiten auftreten und einen hohen Strömungswiderstand verursachen. „Wir konnten identifizieren, wie sich die Turbulenz die notwendige Energie aus der Grundströmung entnimmt“, so Avila. Eine gezielte zusätzliche Störung der Strömung erzeugte den Modellen zufolge zwar zunächst weitere Turbulenzen, führte danach aber zu einer gleichförmigen, laminaren Strömung.

Turbulente Strömungen

Mit mehreren Experimenten überprüften die Wissenschaftler dieses verblüffende Ergebnis. So erzeugten sie in einer zwölf Meter langen, von Wasser durchflossenen Röhre zusätzliche Turbulenzen. Dazu installierten sie zum einen kleine Propeller in der Röhre. Zum anderen störten sie den Wasserfluss durch weitere Wasserstrahlen, die sie durch kleine Düsen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung injizierten. In beiden Fällen nahmen die Turbulenzen erst kurzfristig zu. Doch in dem Bereich kurz hinter der zusätzlichen Störung stabilisierte sich – wie in der Simulation – eine laminare Strömung frei von Turbulenzen.

Für das Auflösen der Turbulenzen machen die Forscher komplexe strömungsmechanische Prozesse verantwortlich. „In der Turbulenz vermischen turbulente Wirbel einzelne Bereiche der Grundströmung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten – schnell in der Rohrmitte und langsam nah an der Wand“, erklärt Avila. Auf diese Weise werde der Grundströmung Energie entzogen, um die Turbulenzen zu erhalten. Durch die gezielte zusätzliche Störung wird die Geschwindigkeitsverteilung der Grundströmung jedoch gleichförmig. Die Folge: Wirbel können aus diesem Profil keine Energie entziehen, weil es keine Geschwindigkeitsdifferenzen gibt.

Ohne diesen Energieübertrag konnte sich hinter der Störungszone eine gleichförmige, laminare Strömung stabilisieren. Diese bereits zum Patent angemeldete Methode wirkt allerdings nur, wenn die Störungen exakt auf die Strömungsgeschwindigkeit und Flüssigkeit angepasst sind. Dennoch hat die Methode ein großes Potenzial, Turbulenzen in Pipelines mit bekannter Durchflussmenge zu vermeiden und somit den Strombedarf für die Pumpen zu senken. Denn es gilt generell: Je weniger Verwirbelungen beim Transport einer Flüssigkeit durch ein Rohr entstehen, desto weniger Reibung wird erzeugt und folglich auch weniger Energie benötigt. „Das führt dann zu einer erheblichen Reduzierung des erforderlichen Energieaufwands für den Flüssigkeitstransport“, ist Avila überzeugt.