Forskere genererer realistisk stormturbulens i laboratoriet

Turbulens er et allestedsnærværende fænomen - og et af fysikkens store mysterier. Det er nu lykkedes et forskerhold fra University of Oldenburg i Tyskland at skabe realistisk stormturbulens i vindtunnelen i Center for Vindenergiforskning (ForWind).

Stærke storme lader ofte til at efterlade tilfældig ødelæggelse:Mens tagstenene i et hus er blæst væk, naboejendommen må slet ikke blive beskadiget. Hvad der forårsager disse forskelle er vindstød - eller som fysikere siger, lokal turbulens. Det skyldes store atmosfæriske strømninger, men indtil nu, det er umuligt at forudsige det i detaljer.

Eksperter fra University of Oldenburg og Université de Lyon har nu banet vej for at studere småskala turbulens:Teamet ledet af Oldenburg-fysikeren Prof. Dr. Joachim Peinke lykkedes at generere turbulente strømme i en vindtunnel. Strømmene lignede dem, der forekommer i store kuling. Teamet har fundet en måde at bogstaveligt talt skære et stykke ud af en storm, rapporterer forskerne i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . "Vores eksperimentelle opdagelse gør vores vindtunnel til en model for en ny generation af sådanne faciliteter, hvor, for eksempel, virkningerne af turbulens på vindmøller kan realistisk undersøges, "siger Peinke.

Den vigtigste parameter, der kendetegner turbulensen af ​​et flow, er det såkaldte Reynolds-tal:Denne fysiske størrelse beskriver forholdet mellem kinetisk energi og friktionskræfter i et medium. Enkelt sagt, du kan sige:Jo større Reynolds -tallet, jo mere turbulent strømning. Et af de største mysterier ved turbulens er dens statistik:Ekstreme begivenheder som stærke, pludselige vindstød forekommer oftere, hvis man ser på mindre skalaer.

Uforløste ligninger

"De turbulente hvirvler i et flow bliver mere alvorlige på mindre skalaer, "forklarer Peinke, der leder forskningsgruppen Turbulence, Vindenergi og stokastik. I en stærk storm - det vil sige når Reynolds -tallet er højt - en flue påvirkes derfor af meget kraftigere strømningsforhold end, sige, et fly. De specifikke årsager til dette er ikke velkendte:De fysiske ligninger, der beskriver væsker, er endnu ikke løst, når det kommer til turbulens. Denne opgave er et af de berømte årtusindproblemer inden for matematik, på hvis løsning Clay Mathematics Institute i USA har afsat en million dollars hver.

I den store vindtunnel i Center for Vindenergiforskning (ForWind), Det er nu lykkedes Oldenburg -holdet at skabe mere turbulente vindforhold end nogensinde før. Sammenlignet med tidligere forsøg, forskerne øgede Reynolds -tallet hundrede gange og simulerede dermed forhold, der ligner dem, der stødte på i en rigtig storm. "Vi ser endnu ikke en øvre grænse, "siger Peinke." Den generede turbulens er allerede meget tæt på virkeligheden. "

Eksperimenter i vindtunnelen

Oldenburg vindtunnel har et 30 meter langt testafsnit. Fire blæsere kan generere vindhastigheder på op til 150 kilometer i timen, hvilket svarer til en kategori 1 orkan. For at skabe turbulent luftstrøm, forskerne bruger et såkaldt aktivt gitter, som blev udviklet til de særlige krav i den store Oldenburg vindtunnel. Strukturen, tre til tre meter i størrelse, er placeret i begyndelsen af ​​vindtunnelen og består af næsten tusind små, diamantformede aluminiumsvinger. Metalpladerne er bevægelige. De kan roteres i to retninger via 80 vandrette og lodrette aksler. Dette giver vindforskerne mulighed for selektivt at blokere og genåbne små områder af vindtunneldysen i kort tid, forårsager luft at blive hvirvlet. "Med det aktive net - det største af sin slags i verden - kan vi generere mange forskellige turbulente vindfelter i vindtunnelen, "forklarer Lars Neuhaus, som også er medlem af teamet og spillede en central rolle i denne undersøgelse.

Til forsøgene, teamet varierede gitterets bevægelse på en kaotisk måde svarende til de forhold, der forekommer i turbulent luftstrøm. De ændrede også blæsernes magt uregelmæssigt. Dermed, ud over lille turbulens, luftstrømmen genererede en større bevægelse i vindtunnelens længderetning. "Vores vigtigste fund er, at vindtunnelstrømmen kombinerer disse to komponenter til perfekt, realistisk stormturbulens, "forklarer medforfatter Dr. Michael Hölling. Fysikeren er også formand for det internationale vindtunneltestudvalg for European Academy of Wind Energy (EAWE). Denne stormturbulens opstod 10 til 20 meter bag det aktive net.

Virvler i lille skala

"Ved at justere nettet og ventilatorerne i vindtunnelen, vi har genereret en stor turbulens på omkring ti til hundrede meter i størrelse. På samme tid, en lille turbulens med dimensioner på få meter og mindre dukkede op spontant. Imidlertid, vi ved stadig ikke præcis hvorfor, "Forklarer Hölling. Som han og hans kolleger rapporterer, denne nye tilgang gør det muligt at nedskalere atmosfærisk turbulens, der er relevant for vindmøller, fly eller huse til en størrelse på en meter i vindtunnelen. Dette vil gøre det muligt for forskere at udføre realistiske eksperimenter med miniaturiserede modeller i fremtiden - hvor ekstreme vindstød forekommer lige så hyppigt som i virkelige storme.