Ny tilgang kan spare op til 95 procent af den energi, der bruges til rørledninger

Forskere har antaget, at når en strøm af en væske er blevet turbulent, turbulensen ville fortsætte. Forskere ved Institut for Videnskab og Teknologi Østrig (IST Østrig), herunder professor Björn Hof og co-first forfattere Jakob Kühnen og Baofang Song, har nu vist, at det ikke er tilfældet. I deres eksperimenter, som de udgav i Naturfysik , de destabiliserede turbulens i et rør, så strømmen vendte til en laminær (ikke-turbulent) tilstand, og de observerede, at strømmen forblev laminær derefter. Eliminering af turbulens kan spare så meget som 95 procent af den energi, der kræves for at pumpe en væske gennem et rør.

Mængden af ​​energi, som industrien bruger til at pumpe væsker gennem rør, er betydelig og svarer til cirka 10 procent af det globale elforbrug. Det kommer derfor ikke som en overraskelse, at forskere verden over søger måder at reducere disse omkostninger på. Størstedelen af ​​disse energitab skyldes turbulens, et fænomen, der fører til en drastisk stigning i friktionsmodstand, kræver meget mere energi at pumpe væsken. Tidligere tilgange har haft til formål at lokalt reducere turbulensniveauer. Nu, forskergruppen af ​​Björn Hof ved IST Østrig har taget en helt ny tilgang, tackle problemet fra en anden side. I stedet for midlertidigt at svække turbulens, de destabiliserede eksisterende turbulens, så flowet automatisk blev laminært.

I en såkaldt laminær strømning, en væske strømmer i parallelle lag, som ikke blandes. Det modsatte af dette er et turbulent flow, som er karakteriseret ved hvirvler og kaotiske ændringer i tryk og hastighed i væsken. De fleste strømme, som vi kan observere i naturen og i teknik, er turbulente, fra røgen fra et slukket stearinlys til blodstrømmen i vores hjertes venstre ventrikel. I rør, både laminære og turbulente strømme kan, i princippet, eksistere og være stabil, men en lille forstyrrelse kan gøre en laminær strømning turbulent. Turbulens i rør blev indtil nu antaget at være stabil, og indsatsen for at spare energiomkostninger fokuserede derfor kun på at reducere dens størrelse, men ikke at slukke den helt. I deres principbevis, Björn Hof og hans gruppe har nu vist, at denne antagelse var forkert, og at en turbulent strømning kan, Ja, omdannes til en laminær. Strømmen forbliver derefter laminær, medmindre den forstyrres igen.

"Ingen vidste, at det var muligt at slippe af med turbulens i praksis. Vi har nu bevist, at det kan lade sig gøre. Det åbner op for nye muligheder for at udvikle applikationer til rørledninger, " forklarer Jakob Kühnen.

Hemmeligheden ligger i hastighedsprofilen, dvs. i variationen af ​​strømningshastigheden, når man ser på forskellige positioner i rørets tværsnit. Strømningen er hurtigst i midten af ​​røret, mens den er meget langsommere nær væggene. Ved at placere rotorer i flowet, der reducerede forskellen mellem væsken i midten og den tæt på væggen, det lykkedes forskerne at få en "fladere" profil. For sådanne strømningsprofiler, de processer, der opretholder og skaber turbulente hvirvler, mislykkes, og væsken vender gradvist tilbage til jævn laminær bevægelse, og den forblev laminær, indtil den nåede enden af ​​røret. En anden måde at opnå den flade hastighedsprofil på var at injicere væske fra væggen. Endnu en implementering af ideen om en flad hastighedsprofil var en bevægelig del af røret:ved at flytte væggene hurtigt over en strækning af røret, de opnåede også den samme flade profil, der genoprettede det laminære flow.

Gruppen har allerede registreret to patenter for deres opdagelse. Imidlertid, at omdanne dette proof of concept-eksperiment til et system, der kan bruges i egentlige olie- eller vandrørledninger over hele verden, vil kræve nogle flere anstrengelser i udviklingen. Indtil nu, konceptet blev bevist for relativt små hastigheder, men til brug i rørledninger, en applikation, der arbejder med større hastighed, vil være nødvendig. I computersimuleringer, imidlertid, den flade hastighedsprofil førte altid til en vellykket eliminering af turbulens, hvilket er meget lovende for den fremtidige udvikling.

"I computersimuleringer, vi har testet virkningen af ​​den flade hastighedsprofil for Reynolds-tal op til 100.000, og det har virket absolut overalt. Det næste skridt er nu at få det til at fungere også for høje hastigheder i eksperimenterne, " siger Björn Hof.