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Wie Turbulenzen entstehen

Oldenburger Physiker überprüfen 30 Jahre alte Theorie im Experiment

Oldenburg. Turbulenzen mathematisch zu beschreiben ist eines der großen ungelösten Probleme der Physik. Auch wie sie entstehen, ist bis heute nicht abschließend geklärt. Einem Team von Wissenschaftlern um den Oldenburger Physiker Prof. Dr. Joachim Peinke und den Osnabrücker Mathematiker Dr. Pedro G. Lind ist es nun gelungen, experimentell nachzuvollziehen, wie Turbulenz an einem Flügelprofil entsteht. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, beispielsweise die Rotorflügel von Windkraftanlagen weiter zu optimieren. Die Ergebnisse haben die Wissenschaftler kürzlich im Fachjournal Physical Review X veröffentlicht.

Als Turbulenz bezeichnet man eine Strömung, die durch Unordnung geprägt ist. Demgegenüber stehen glatte, sogenannte laminare Strömungen. Wann genau eine laminare Strömung in eine turbulente umschlägt, lässt sich an der sogenannten Reynolds-Zahl ablesen. Diese physikalische Kennzahl beschreibt das Verhältnis der Turbulenz erzeugenden Faktoren und glättenden Reibungskräfte, die auf das umströmte Objekt einwirken. Der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung findet jedoch nicht immer abrupt statt. Vielmehr gibt es oft eine Art Übergangszone: In dieser existieren laminare und turbulente Strömung gleichzeitig. Die zunächst vereinzelt auftretenden Verwirbelungen werden immer häufiger – bis sie einen kritischen Punkt überschreiten und sich zu einer vollständigen Turbulenz entwickeln.

Der französischen Turbulenz- und Chaos-Forschers Yves Pomeau stellte bereits 1986 die Theorie auf, dass Verwirbelungen entsprechend dem Modell der sogenannten direkten Perkolation entstehen. Die Perkolationstheorie beschreibt, wie komplexe zusammenhängende Strukturen – sogenannte Cluster – aus ursprünglich lokalen Ereignissen hervorgehen. Dabei spielt das zufällige Ausbreiten eine wichtige Rolle. Anhand eines Perkolationsmodells lässt sich beispielsweise beschreiben, wie sich Epidemien von einzelnen Personen auf eine gesamte Region ausbreiten.  

Nachdem Pomeaus Theorie viele Jahre kaum beachtet wurde, konnten Wissenschaftler sie in den vergangenen Jahren experimentell bei Flüssigkeitsströmen in Rohrleitungen nachvollziehen. Die Oldenburger Windenergieexperten haben die Theorie nun erstmals hinsichtlich ihrer praktischen Anwendung für aerodynamische Probleme überprüft: Mit Hilfe moderner optischer Messmethoden konnten die Wissenschaftler im Windkanal die Strömung entlang eines Flügels zeitlich und räumlich hochaufgelöst aufzeichnen. Die Datenauswertung zeigte, dass sich die Ergebnisse des Experiments eindeutig dem theoretischen Modell der direkten Perkolation zuordnen ließen. „Mit dieser Arbeit haben wir den ersten experimentellen Hinweis erbracht, dass Perkolationsmodelle eine praktische Relevanz für die Aerodynamik von Flügeln haben“, sagt Dominik Traphan, Doktorand im Team von Peinke und Erstautor der Studie. Damit könne man nun den Punkt, an dem die laminare Strömung in die Turbulenz umschlage, genau bestimmen.

„Die Ergebnisse unserer Grundlagenforschung haben eine hohe Relevanz für die Entwicklung von Rotorflügel-Profilen“, sagt Peinke. Denn: Wird die Luftströmung am Flügel turbulent, entsteht eine sogenannte laminare Ablöseblase – und damit wirken Kräfte auf den Flügel ein, die mit der Zeit zur Ermüdung des Materials beitragen. „Auf Grundlage der neuen Erkenntnisse können beispielsweise bisherige ingenieurswissenschaftliche Modelle angepasst und Windkraftanlagen weiter optimiert werden“, fasst Lind die Anwendungsmöglichkeiten zusammen.  

„Aerodynamics and Percolation: Unfolding Laminar Separation Bubble on Airfoils“ by Dominik Traphan, Tom T. B. Wester, Gerd Gülker, Joachim Peinke and Pedro G. Lind (2018) in Physical Review X, Volume 8, Number 2, Page  021015.

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Prof. Dr. Joachim Peinke, Tel.: 0441/798-5050, E-Mail: peinke@uol.de

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