Turbulenz mit neuen Wirbeln

Eine völlig neue Form der Turbulenz erklärt, warum Öl mit einer geringen Konzentration an Polymer mit weniger Reibung durch Pipelines fließt

In Öl-Pipelines sind Turbulenzen ein Ärgernis. Wenn das Öl bei hohen Fließgeschwindigkeiten beginnt, wie ein Gebirgsbach zu sprudeln und zu gluckern, erhöht dies die Reibung der Strömung dramatisch – und damit die Energiemenge, die erforderlich ist, um das Öl durch die Leitung zu pumpen. Die Betreiber solcher Pipelines setzen deshalb auf einen Trick: Sie fügen dem Öl eine winzige Menge sehr langkettiger Polymere wie zum Beispiel Polyacrylamid zu. Die Reibungsverluste lassen sich dadurch um bis zu 80 Prozent verringern. Auch in Heizungs- und  Bewässerungssystemen können Polymere für weniger Reibung im Betrieb sorgen.

„Besonders in der Ölindustrie ist die Methode verbreitet“, erklärt Björn Hof, der am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und am Institute of Science and Technology Austria forscht. „Trotzdem war bisher noch nicht wirklich verstanden, was genau die Polymere bewirken“, ergänzt er. In ihrer neuen Studie untersuchen die Göttinger und Saarbrücker Forscher gemeinsam mit Kollegen der University of Vermont (USA) und der University of Edinburgh (Schottland) erstmals systematisch, wie die Molekülketten das Entstehen von Turbulenz in Wasserströmungen beeinflussen.

Polymerlösungen fließen anders als Wasser und Öl

Dafür ließen die Forscher eine Lösung aus Polyacrylamid und Wasser durch ein 3,6 Meter langes, gerades und durchsichtiges Rohr mit einem Durchmesser von nur vier Millimetern strömen. „Durch lokale Druckmessungen oder mit Hochgeschwindigkeitskameras können wir verfolgen, wie sich turbulente Regionen auf ihrer Reise durch das Rohr entwickeln“, sagt Devranjan Samanta, der am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und an der Universität des Saarlandes forscht. 

In ihren Messungen stießen die Forscher auf eine Überraschung. „Wir entdeckten ein Verhalten, das sich deutlich von dem unterscheidet, das beispielsweise Wasser, Öl oder Luft zeigen“, sagt Hof.

Wenn sein Team die Fließgeschwindigkeit von Wasser in einem langen Rohr nach und nach erhöht, wird zunächst nicht die gesamte Strömung turbulent. Stattdessen entstehen nur stellenweise turbulente Wirbel: räumlich begrenzte Gebiete innerhalb der ansonsten ruhigen Strömung, in denen das Wasser wild durcheinander sprudelt. Bei steigenden Fließgeschwindigkeiten breitet sich die Turbulenz immer weiter aus.

In Polymerlösungen wird schlagartig die ganze Strömung turbulent

„Lokalisierte Wirbel konnten wir in den Polymerlösungen nicht finden“, so Hof. Dort betrifft der Übergang zur Turbulenz schlagartig die gesamte Strömung. Zudem erstrecken sich die Wirbel nicht, wie etwa in reinem Wasser, in Strömungsrichtung, sondern senkrecht dazu. „Außerdem zeigen unsere Messungen, dass die Reibungsverluste bei dieser Art der Turbulenz deutlich geringer sind als bei der gewöhnlichen“, sagt Hof. „Bei den höchsten Fließgeschwindigkeiten, die wir im Experiment erreicht haben, konnten wir diese Verluste auf ein Drittel reduzieren“, ergänzt er. Bei höheren Geschwindigkeiten sind noch stärkere Unterschiede zu erwarten.

„All das zeigt uns, dass wir es mit einer völlig anderen Art der Turbulenz zu tun haben“, erklärt Christian Wagner von der Universität des Saarlandes. Zusammen mit seinem Team hat der Physiker die Polymerlösungen vor und nach den Experimenten genau charakterisiert. Da der neue Zustand nur in Flüssigkeiten auftritt, in denen elastische Phänomene und Trägheitskräfte eine Rolle spielen, sprechen die Forscher von elasto-inertialer Turbulenz. Bei Polymerkonzentrationen von mehr als zwei Gramm Polyacrylamid auf einen Liter Wasser erfolgt der Übergang von der ruhigen Strömung zur elasto-inertial-turbulenten bei deutlich geringeren Fließgeschwindigkeiten, als der von der ruhigen zur „normalen“ turbulenten Strömung in Wasser.

Bei stärker verdünnten Lösungen, wie sie etwa in der Ölindustrie eingesetzt werden, tritt Turbulenz dagegen erst bei höheren Fließgeschwindigkeiten auf als bei reinem Wasser oder Öl. Allerdings entsteht dort zunächst stellenweise die normale Turbulenz, wird jedoch bei steigender Geschwindigkeit von der elasto-inertialen Verwirbelung verdrängt, die dann sofort die ganze Strömung ergreift. „Dieser Wechsel von einer Art der Turbulenz zur anderen ist bislang übersehen worden“, sagt Hof. Wagner ergänzt: „Auch für uns waren die Ergebnisse zunächst überraschend.“

Die Wirbel der elasto-inertialen Turbulenz verschwinden im Schnitt schneller

In früheren Experimenten hatten die Wissenschaftler mit ihrem Versuchsaufbau bewiesen, dass in reinem Wasser die Wirbel nach extrem langen Zeiten plötzlich zerfallen und sich die Strömung wieder beruhigt. „Dieses grundsätzliche Verhalten haben wir auch bei den stark verdünnten Polymer-Lösungen beobachtet“, so Samanta. Allerdings verschwanden die Wirbel darin bei derselben Fließgeschwindigkeit im Schnitt deutlich schneller. „Unser Experiment zeigt deutlich, dass die Zugabe von Polymeren den Übergang von einer ruhigen zu einer turbulenten Strömung herauszögert“, bilanziert Hof.

„Dieser Effekt ist durchaus plausibel“, ergänzt der Physiker. Denn anders als Wasser- und Ölmoleküle sind die sehr langkettigen Polymermoleküle elastisch – und können somit die inneren Bewegungen der Strömung abfedern. Numerische Rechnungen, in denen Yves Dubief von der University of Vermont die Strömungen im Rohr simulierte, untermauern das Ergebnis.

Die Ergebnisse sind weit mehr als eine Bestätigung für die Betreiber von Ölpipelines. Denn die Forscher zeigen zudem, dass der Durchmesser des Rohres, durch das die Flüssigkeit strömt, entscheidend ist. Bei kleinen, eventuell sogar mikroskopischen Durchmessern tritt elasto-inertiale Turbulenz schon früh auf – und dürfte somit für Anwendungen in der Mikrofluidik eine wichtige Rolle spielen.

BK/PH