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Turbulente Forschung: Wie Wirbel ein Strömungssystem erobern

Bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten ist die Strömung oberhalb von Tragflächen oder in Rohren stets ruhig und geradlinig (laminar), so als ob dünne Schichten von Luft oder Flüssigkeit übereinander gleiten. Wird sie schneller, zeigen sich lokal die ersten Anzeichen von Wirbeln und sogenannte turbulente Flecken entstehen, erklärte Hof im Gespräch mit der APA.

Diese turbulenten Flecken bewegen sich als lokale Fronten mit gleichbleibender Größe durch das System, sagte er. Das selbe Phänomen gäbe es auch bei Nervenfasern, durch die elektrische Erregungsreize (Aktionspotenziale) fließen, und als wandernde Anregungs-Wellen im Herzgewebe. Doch diese würden im Gegensatz zu den turbulenten Flecken in Fließströmungen nicht weiter zunehmen.

Fließexperimente und Computersimulationen

Die turbulenten Flecken breiten sich nämlich mit steigender Geschwindigkeit aggressiv aus, bis alle gleichförmigen Bereiche ausgelöscht sind und die gesamte Flüssigkeit oder das Gas verwirbelt sind, schrieben die Forscher in der Studie. Dann sei die Strömung "voll turbulent".

Sie inspizierten das Phänomen in Fließexperimenten sowie Computersimulationen und konnten schließlich ein mathematisches Modell erstellen, mit dem man berechnen kann, welcher Zustand bei welcher Strömungsgeschwindigkeit auftritt.

Der Schlüssel zur Lösung des Problems war, dass man eine Strömung als 'bistabiles System' mit gleichförmigem und turbulentem Fluss als zwei stabile Zustände auffassen muss, erklärten die Wissenschafter. Eine entscheidende Rolle spielen auch die Fronten, die an den Grenzflächen zwischen laminaren und turbulenten Bereichen auftreten.

Eine praktische Anwendung dieser Erkenntnisse gäbe es bei Ölpipelines. Bei diesen verursachten Reibungsverluste durch Turbulenzen weltweit Pumpkosten von Milliarden Euro. "Eine Umwandlung in eine laminare Strömung könnte den Reibungswiderstand um circa 90 Prozent verringern und würde damit enorme Energieeinsparungen bringen", meint Hof.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/nature15701

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