Turbulenzfreier Transport von Flüssigkeiten

  • 10. January 2018

Erhöhung der Turbulenzintensität stellt laminare Strömung her.

Für den Transport von Flüssigkeiten durch Rohrsysteme – zum Beispiel durch kilo­meter­lange Öl-Pipe­lines - wird über ein Zehntel des globalen Strom­ver­brauchs auf­ge­wendet. Marc Avila vom Zentrum für ange­wandte Raum­fahrt­techno­logie und Mikro­gravi­ta­tion der Uni Bremen ist Teil eines inter­natio­nalen Forschungs­teams, das nun eine Methode ent­wickelt hat, um Flüssig­keits­strömungen in Rohren zu opti­mieren. Die Erkennt­nisse des Teams könnten dazu bei­tragen, die beim Trans­port ent­stan­denen Energie­ver­luste um bis zu neunzig Prozent zu redu­zieren.

Turbulenz

Abb.: Entwicklung der Turbulenz in einem Rohr. Von oben nach unten: Die Inten­sität der Turbu­lenz wird zunächst gesteigert, dann kolla­biert die Turbu­lenz und es erfolgt eine Rück­kehr zur lami­naren Strömung. (Bild: J. Kühnen et al. / NPG)

Flüssigkeitsströmungen sind in den Ingenieurwissenschaften und in der Natur all­gegen­wärtig. Diese jedoch exakt vorher­zu­sagen, ist trotz jahr­hunderte­langer Forschung nach wie vor eine Heraus­forde­rung. Wenn Flüssig­keiten mit hoher Geschwin­dig­keit durch ein Rohr strömen, ent­stehen häufig Ver­wirbe­lungen. Diese sind die Haupt­ur­sache für Reibungs­ver­luste, welche wiede­rum einen deut­lich höheren Druck zur Auf­recht­er­hal­tung des gewünschten Durch­flusses erfor­der­lich machen. Um den damit ver­bun­denen Energie­ver­lust zu ver­meiden, liegt das Haupt­augen­merk der Forscher auf der Redu­zie­rung bezie­hungs­weise dem voll­stän­digen Aus­schalten von Turbu­lenzen.

Generell gilt: Je weniger Verwirbelungen beim Transport einer Flüssig­keit durch ein Rohr ent­stehen, desto weniger Reibung wird erzeugt und folg­lich auch weniger Energie benötigt. Ent­gegen der all­ge­meinen Erwar­tung, dass stärkere Turbu­lenzen einen noch höheren Energie­ver­lust bewirken, fand das Forschungs­team nun heraus, dass ein Erhöhen der Turbu­lenz­inten­sität sehr schnell zu einem Kollaps der Turbu­lenzen und damit zur Rück­kehr zu einer lami­naren – also turbu­lenz­freien – Strömung führt. Diese voll­stän­dige Redu­zie­rung von Ver­wirbe­lungen kann den erfor­der­lichen Energie­auf­wand für den Flüssig­keits­trans­port um bis zu neunzig Prozent redu­zieren. Avila und seinen Kollegen ist es gelungen, dieses Strömungs­ver­halten sowohl nume­risch zu errechnen als auch experi­men­tell nach­zu­weisen. Ein Patent wurde eben­falls bereits erteilt.

ZARM / RK

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