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Rohrleitungen

Neues Verfahren beseitigt Turbulenz in Rohren

| Redakteur: Rebecca Vogt

In Rohren und Rohrleitungen herrscht standardmäßig eine turbulente Strömung (oben) vor. Wandelt man diese in eine laminare Strömung (unten) um, reduziert sich der Bedarf an Pumpenergie.
In Rohren und Rohrleitungen herrscht standardmäßig eine turbulente Strömung (oben) vor. Wandelt man diese in eine laminare Strömung (unten) um, reduziert sich der Bedarf an Pumpenergie. (Bild: Jakob Kühnen)

Forschern ist es gelungen, mit einem neuen Verfahren die turbulente Strömung in Rohren in eine laminare umzuwandeln. Künftig könnten so in Rohrleitungen große Mengen Energie eingespart werden.

Weltweit werden enorme Mengen an Flüssigkeiten und Gasen in Rohren transportiert. Die Spanne der Materialien reicht von Wasser über Öl bis hin zu Erdgas. Für den Transport der Flüssigkeiten wird eine Pumpenergie benötigt, deren Umfang etwa 10 % des globalen Stromverbrauchs ausmacht. Strömungen durch Rohre und Rohrleitungen sind meist turbulent. Bisher ging man davon aus, dass eine turbulente Strömung stets turbulent bleibt.

Ein Team aus Forschern des Institute of Science and Technology (IST) Austria konnte nun zeigen, dass diese Annahme falsch ist. Mit einer Reihe von Experimenten gelang es den Wissenschaftlern um Prof. Björn Hof, Turbulenz in einem Rohr so zu beeinflussen, dass die Strömung einen laminaren, also nicht turbulenten Zustand annahm. Außerdem war zu beobachten, dass die Strömung danach laminar blieb. Durch die Umwandlung der turbulenten in eine laminare Strömung lassen sich nach Ansicht der Forscher bis zu 95 % der benötigten Pumpenergie einsparen.

Turbulenz verursacht einen drastischen Anstieg des Reibungswiderstands in Rohren und bewirkt somit, dass sehr viel mehr Energie benötigt wird, um die Flüssigkeit durch die Rohre zu pumpen. Bisherige Ansätze zielten darauf ab, die Amplituden der Turbulenz lokal zu verringern. Anstatt die Turbulenz temporär zu schwächen, gelang es den Forschern am IST, die Turbulenz derart zu destabilisieren, dass sie zerfiel und die Strömung laminar wurde.

Strömungsturbulenzen lassen sich vollständig ausschalten

Bei einer laminaren Strömung fließt die Flüssigkeit in parallelen Schichten, die sich nicht vermischen. Anders die turbulente Strömung, die durch Wirbel und chaotische Fluktuationen in Druck und Geschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit charakterisiert ist. Die meisten Strömungen, die in der Natur und der Technik beobachtet werden können, sind turbulent – vom aufsteigenden Rauch einer gelöschten Kerze bis zum Blutfluss in der linken Herzkammer. Da bislang angenommen wurde, dass Turbulenz in Rohren stabil ist, konzentrierten sich die Bemühungen, Energiekosten zu sparen, darauf, das Ausmaß der Turbulenz zu verringern – und nicht darauf, sie komplett zu tilgen.

„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“, sagt Jakob Kühnen, Mitglied der Forschergruppe am IST.

Ausgeglichenes Geschwindigkeitsprofil als Erfolgsschlüssel

Das Geheimnis liegt im Geschwindigkeitsprofil – also im Verlauf der Fließgeschwindigkeit über den Querschnitt des Rohres. Die Flüssigkeit fließt in der Mitte des Rohres am schnellsten, in der Nähe der Wände hingegen viel langsamer. Um den Unterschied zwischen der Fließgeschwindigkeit in der Mitte und an den Wänden zu reduzieren, platzierten die Forscher Rotoren in der Strömung und erzielten so ein viel ausgeglicheneres Geschwindigkeitsprofil. Alternative Wege, um ein solches Profil zu erreichen, sind den Forschern zufolge, Flüssigkeit von den Wänden einzudüsen oder Teile des Rohres zu verschieben.

Ihr Konzept konnten die Wissenschaftler bisher für eher geringere Geschwindigkeiten experimentell beweisen. In Pipelines werden jedoch Anwendungen benötigt, die bei größeren Geschwindigkeiten funktionieren. Hof erklärt: „In Computersimulationen haben wir die Auswirkung von flachen Geschwindigkeitsprofilen für Reynoldszahlen bis zu 100.000 getestet, und es hat immer funktioniert. Der nächste Schritt ist jetzt, dies auch für hohe Geschwindigkeiten in Experimenten zu schaffen.“

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