Ob Wasser, Öl oder Erdgas: Strömen Flüssigkeiten durch Rohrleitungen, geht es dabei meist turbulent zu. Bisher nahm man an, dass eine turbulente Strömung stets turbulent bleibt. Forscher am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) haben jetzt aber das Gegenteil gezeigt: In ihren Experimenten konnten sie Turbulenz in einem Rohr so beeinflussen, dass die Strömung einen laminaren, also nicht-turbulenten, Zustand annahm. Beteiligt waren außerdem Wissenschaftler des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation an der Universität Bremen.
Traumhafte Energieeinsparung von 95 Prozent möglich
Das Team beobachtete auch, dass die Strömung danach laminar blieb. Dadurch ergeben sich nun neue Möglichkeiten, um energiesparende Anwendungen für Pipelines zu entwickeln.
Eine turbulente Strömung in eine laminare umzuwandeln kann bis zu 95 Prozent der benötigten Pumpenergie einsparen – eine beachtliche Menge, wenn man bedenkt, dass die für den Transport von Flüssigkeiten benötigte Pumpenergie etwa 10 Prozent des globalen Stromverbrauchs beträgt.
Turbulenz verursacht einen drastischen Anstieg des Reibungswiderstandes in Rohren. Folglich wird viel mehr Energie benötigt, um die Flüssigkeit durch Rohre zu pumpen. Bisherige Ansätze zielten darauf ab, die Amplituden der Turbulenz lokal zu verringern.
Die Forschungsgruppe am IST Austria aber einen neuen Zugang gewählt: anstatt die Turbulenz temporär zu schwächen konnte sie die Turbulenz derart destabilisieren, dass sie zerfiel und die Strömung laminar wurde. Bei dieser Strömung fließt die Flüssigkeit in parallelen Schichten, die sich nicht vermischen, im Gegensatz zur turbulenten Strömung, die durch Wirbel und chaotische Fluktuationen in Druck und Geschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit charakterisiert ist.
Rotoren am richtigen Fleck schafften das nötige flache Strömungprofil
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.
Nächster Schritt: Anwendungen für höhere Geschwindigkeiten entwickeln
Um die Konzeptnachweis-Experimente in eine alltagstaugliche Anwendung überzuführen, die tatsächlich in Öl- und Wasser-Pipelines in der ganzen Welt verwendet werden kann, bedarf es nun 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 haben die Forscher die Auswirkung von flachen Geschwindigkeitsprofilen für Reynoldszahlen bis zu 100.000 getestet. Der nächste Schritt ist jetzt, dies auch für hohe Geschwindigkeiten in Experimenten zu schaffen.
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