Forskare har antagit att när ett vätskeflöde har blivit turbulent, turbulens skulle bestå. Forskare vid Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), inklusive professor Björn Hof och medförfattare Jakob Kühnen och Baofang Song, har nu visat att så inte är fallet. I deras experiment, som de publicerade i Naturfysik , de destabiliserade turbulensen i ett rör så att flödet förvandlades till ett laminärt (icke-turbulent) tillstånd, och de observerade att flödet förblev laminärt därefter. Att eliminera turbulens kan spara så mycket som 95 procent av energin som krävs för att pumpa en vätska genom ett rör.

Mängden energi som används av industrin för att pumpa vätskor genom rör är avsevärd och motsvarar cirka 10 procent av den globala elförbrukningen. Det kommer därför inte som en överraskning att forskare över hela världen söker sätt att minska dessa kostnader. Huvuddelen av dessa energiförluster orsakas av turbulens, ett fenomen som leder till en drastisk ökning av friktionsmotståndet, kräver mycket mer energi för att pumpa vätskan. Tidigare tillvägagångssätt har syftat till att lokalt minska turbulensnivåerna. Nu, forskargruppen för Björn Hof vid IST Austria har tagit ett helt nytt tillvägagångssätt, hantera problemet från en annan sida. I stället för att tillfälligt försvaga turbulensen, de destabiliserade befintlig turbulens så att flödet automatiskt blev laminärt.

I ett så kallat laminärt flöde, en vätska flyter i parallella lager som inte blandas. Motsatsen till detta är ett turbulent flöde, som kännetecknas av virvlar och kaotiska förändringar i tryck och hastighet i vätskan. De flesta flöden som vi kan observera i naturen och inom teknik är turbulenta, från röken från ett släckt ljus till blodflödet i vårt hjärtas vänstra kammare. I rör, både laminära och turbulenta flöden kan, i princip, existera och vara stabil, men en liten störning kan göra ett laminärt flöde turbulent. Turbulens i rör antogs fram till nu vara stabil, och ansträngningar att spara energikostnader fokuserade därför bara på att minska dess storlek men inte att släcka den helt. I sitt principbevis, Björn Hof och hans grupp har nu visat att detta antagande var felaktigt, och att ett turbulent flöde kan, verkligen, förvandlas till en laminär. Flödet förblir därefter laminärt om det inte störs igen.

"Ingen visste att det var möjligt att bli av med turbulens i praktiken. Vi har nu bevisat att det kan göras. Detta öppnar nya möjligheter att utveckla applikationer för rörledningar, ”förklarar Jakob Kühnen.

Hemligheten ligger i hastighetsprofilen, d.v.s. i variationen av flödeshastigheten när man tittar på olika positioner i rörets tvärsnitt. Flödet är snabbast i mitten av röret medan det är mycket långsammare nära väggarna. Genom att placera rotorer i flödet som minskade skillnaden mellan vätskan i mitten och den nära väggen, forskarna lyckades få en "plattare" profil. För sådana flödesprofiler, processerna som upprätthåller och skapar turbulenta virvlar misslyckas och vätskan går gradvis tillbaka till jämn laminär rörelse och den förblev laminär tills den nådde änden av röret. Ett annat sätt att få den platta hastighetsprofilen var att injicera vätska från väggen. Ännu en implementering av idén om en platt hastighetsprofil var en rörlig del av röret:genom att snabbt flytta väggarna över en sträcka av röret, de fick också samma platta profil som återställde det laminära flödet.

Gruppen har redan registrerat två patent för deras upptäckt. Dock, att göra detta proof of concept -experiment till ett system som kan användas i verkliga olje- eller vattenledningar över hela världen kommer att kräva ytterligare ansträngningar för utveckling. Än så länge, konceptet har bevisats för relativt små hastigheter, men för användning i rörledningar, en applikation som arbetar med större hastighet kommer att vara nödvändig. I datasimuleringar, dock, den platta hastighetsprofilen ledde alltid till en framgångsrik eliminering av turbulens, vilket är mycket lovande för framtida utveckling.

"I datasimuleringar, vi har testat effekten av platt hastighetsprofil för Reynolds -nummer upp till 100.000, och det har fungerat absolut överallt. Nästa steg är nu att få det att fungera även för höga hastigheter i experimenten, säger Björn Hof.