Durchbruch in der Strömungsforschung

9. Jänner 2018, 06:00
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Der Transport von Öl oder Wasser in Rohren benötigt erhebliche Energiemengen. Forschern des IST Austria gelang nun eine verblüffende Entdeckung

foto: afp photo / ahmad al-rubaye
Zum Transport von Wasser oder Öl in Pipelines sind enorme Energiemengen nötig. Diese Pumpenergie könnte sich nun drastisch reduzieren lassen.

Klosterneuburg/Wien – Von Wasser über Öl bis hin zu Erdgas wird weltweit eine enorme Menge an Flüssigkeiten und Gasen in Rohren transportiert. Die für den Transport benötigte Pumpenergie beträgt immerhin rund zehn Prozent des globalen Stromverbrauchs. Aus diesem Grund wird weltweit intensiv daran geforscht, diese Kosten zu verringern.

Eine der Schlüsselfragen dabei lautet, wie man in den Leitungen die Turbulenzen gering hält. Diese bewirken nämlich einen drastischen Anstieg des Reibungswiderstands und somit einen höheren Energiebedarf. Forschern um Björn Hof (IST Austria) könnte ein entscheidender Durchbruch gelungen sein, wie sie im Fachblatt "Nature Physics" berichten. Vorsorglich haben sie auch schon zwei Patente angemeldet.

Von turbulent zu laminar

Strömungsforscher konzentrierten sich bisher vor allem darauf, das Ausmaß der Turbulenzen zu verringern, und nicht darauf, sie komplett zu tilgen. Genau das aber tat Hofs Team, dem auch Jakob Kühnen und Baofang Song angehören, die beiden Erstautoren der Studie: Es konnte zeigen, dass sich turbulente Strömungen tatsächlich vollständig in sogenannte laminare Strömungen umwandeln lassen, bei der Turbulenzen dauerhaft verschwinden.

foto: jakob kühnen / ist austria
Ende der Turbulenzen: oben eine Strömung mit Verwirbelungen im Rohr, unten eine sogenannte laminare Strömung fast ohne Widerstand.

Der Trick liegt darin, die Fließgeschwindigkeit über den Querschnitt des Rohres gleich zu halten. Die Flüssigkeit fließt in der Mitte des Rohrs am schnellsten und in der Nähe der Wände viel langsamer. Rotoren, die von den Forschern im Rohr platziert wurden, reduzierten den Unterschied zwischen den Fließgeschwindigkeiten.

"Niemand wusste, dass es möglich ist, Turbulenz in der Praxis relativ leicht wieder loszuwerden. Wir haben nun gezeigt, dass es zu schaffen ist. Dadurch ergeben sich auch völlig neue Möglichkeiten, um energiesparende Anwendungen für Pipelines zu entwickeln", so Jakob Kühnen.

Eine zweite Methode, um ein flaches Geschwindigkeitsprofil zu erreichen, besteht darin, Flüssigkeit von den Wänden einzudüsen. Eine dritte, die ebenfalls Erfolg verspricht, sieht vor, 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. All das kann laut den Forschern zu einer Reduktion der Pumpenergie von bis zu 95 Prozent führen.

Nötige Entwicklungsarbeit

Um ihre erfolgreichen Experimente in eine alltagstaugliche Anwendung überzuführen, die tatsächlich in Öl- und Wasser-Pipelines in der ganzen Welt verwendet werden kann, bedarf es allerdings noch 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 führte ein flaches Geschwindigkeitsprofil immer zu einer erfolgreichen Beseitigung der Turbulenz, was für zukünftige Entwicklungen vielversprechend sei, so die Forscher. (tasch, 9.1.2018)

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