"Turbulenční hádanky" vyřešené v potrubí

Možné snížení průtokového odporu v potrubí

Turbulence v potrubí © Casimir van Doorne
číst nahlas

Mezinárodní výzkumná skupina významně přispěla k řešení turbulenčního puzzle - přechod z laminárního, „hladkého“ toku bez turbulence na „turbulentní“ toky. Při pokusech na průtokovém kanálu Delft bylo možné detekovat speciální formu vírů, tzv. Tekoucích vln, v turbulentním toku v potrubí. Výsledky budou zveřejněny 10. září 2004 ve vědeckém časopise Science.

Experimentální nálezy podporují hypotézu, že kolem několika tekoucích vln je uspořádán turbulentní tok. Teoreticky již byly předpovídány současné vlny výzkumných skupin z univerzit v Marburgu a Bristolu, nyní byly experimentálně prokázány. Z jejich práce v oblasti výzkumu chaosu vědci také doufají v nápady a koncepty, které mohou přispět k objasnění aspektů turbulenčního přechodu ve smykových proudech. Výsledky lze mimo jiné použít ke snížení turbulentního odporu proudění v trubkách, které se ve velkém počtu používají ve strojírenství a v potrubích pro přepravu ropy a plynu.

Turbulence jako každodenní jev

Turbulentní proudy jsou známé z každodenního života, ať už jde o pohyb okolního vzduchu a mraků, tok řek nebo vír při míchání kávy. K průtokům trubkami také dochází často: ve výrobním procesu, ve vodovodech, ale také v průdušnici nebo v krevním řečišti. V přírodních vědách je turbulence vynikajícím příkladem komplexního, chaotického a nelineárního pohybu. Zatímco jejich kvantitativní popis zůstává pro vědce hlavní výzvou, v praxi to obvykle přináší nevýhody, protože odpor proudění turbulentního proudu je větší než odpor laminárního proudu a také se zvyšuje rychlostí průtoku.

Od laminárního k turbulentnímu

Přechod z laminárního na turbulentní tok je snadno demonstrován na příkladu faucetu. Pečlivým otočením se vytvoří hladký laminární paprsek: tekuté částice se v něm pohybují rovnoběžně a uspořádány vedle sebe. Pokud je kohout znovu zapnut, klapka se změní z hladkého na turbulentní, neprůhledný proud: tok se stane turbulentním.

Tok potrubí má zvláštnost: pokud se profil laminárního toku jednou nastavil a pouze slabě narušil, zůstává při všech průtokech. Pouze v případě poruch dostatečně velké amplitudy je laminární stav ponechán a vniká turbulentní proud. V případě toku potrubí tedy existuje laminární pohyb a turbulentní tok. Numerické studie navíc ukazují, že turbulentní stav není trvalý, ale může se po velmi dlouhém čase znovu rozpadnout. zobrazit

Experiment umožňuje kvantifikaci

Nizozemský doktorand Casimir van Doorne a německý postdoktorand, Dr. med. Společnost Bj rn Hof zahájila experiment, pomocí kterého lze přesně měřit průtok potrubí. V měřicím bodě o délce asi třicet stop jsou kapalné částice osvětleny laserovým paprskem a stereoskopicky fotografovány dvěma vysokorychlostními kamerami. Ze dvou snímků pořízených v rychlém sledu lze poté rekonstruovat umístění a vektory rychlosti částic. S pomocí této stereoskopické "částicové obrazové rychlosti" (PIV) může být pole lokální rychlosti měřeno v průřezové oblasti.

Pokud je porucha indukována specificky proti proudu, objeví se v průřezu víry a především charakteristické pruhy, protože tato porucha teče kolem měřicího bodu. Protože jejich počet, šířka, poloha a časový vývoj souhlasí s teoretickými předpovědi, lze teoreticky predikované struktury nyní považovat za identifikované a podrobené dalšímu zkoumání.

Profesoři z Marburgu, profesoři Bruno Eckhardt a Holger Faisst, přidali k tomuto pozorování opatření: Pravděpodobnost, že proud bude po určité době stále turbulentní, exponenciálně časem klesá a poločas turbulentního toku se s Reynoldsovým číslem velmi rychle zvyšuje. Toto chování je známo z jiných chaotických systémů a naznačuje existenci tzv. Chaotického sedla. Pro další potvrzení tohoto obrazu bylo rozhodující identifikace států, kolem kterých se toto sedlo tvoří.

(Philipps-University Marburg, 13.09.2004 - NPO)