Turbulens är ett allestädes närvarande fenomen - och ett av fysikens stora mysterier. Ett forskargrupp från University of Oldenburg i Tyskland har nu lyckats generera realistisk stormturbulens i vindtunneln på Center for Wind Energy Research (ForWind).

Starka stormar verkar ofta lämna efter sig slumpmässiga förstörelser:Medan takpannorna i ett hus blåser bort, grannfastigheten får inte skadas alls. Vad som orsakar dessa skillnader är vindbyar - eller som fysiker säger, lokal turbulens. Det beror på storskaliga atmosfäriska flöden, men fram till nu, det är omöjligt att förutse det i detalj.

Experter från University of Oldenburg och Université de Lyon har nu banat väg för att studera småskalig turbulens:Teamet som leds av Oldenburg-fysikern professor Dr. Joachim Peinke lyckades generera turbulenta flöden i en vindtunnel. Flödena liknade de som förekom i stora stormar. Teamet har hittat ett sätt att bokstavligen skära en bit ur en storm, forskarna rapporterar i tidskriften Fysiska granskningsbrev . "Vår experimentella upptäckt gör vår vindtunnel till en modell för en ny generation av sådana anläggningar där, till exempel, turbulensens effekter på vindkraftverk kan realistiskt undersökas, säger Peinke.

Den viktigaste parametern som kännetecknar turbulensen i ett flöde är det så kallade Reynolds-talet:Denna fysiska kvantitet beskriver förhållandet mellan kinetisk energi och friktionskrafter i ett medium. I enkla termer, du kan säga:Ju högre Reynolds -tal, desto mer turbulent flöde. Ett av turbulensens största mysterier är dess statistik:Extrema händelser som starka, plötsliga vindbyar uppstår oftare om man tittar på mindre skalor.

Olösta ekvationer

"Ett flödes turbulenta virvlar blir allvarligare på mindre skalor, "förklarar Peinke, som leder forskargruppen Turbulens, Vindenergi och stokastik. I en stark storm - det vill säga när Reynolds -talet är högt - en fluga påverkas därför av mycket kraftigare flödesförhållanden än, säga, ett flygplan. De specifika orsakerna till detta är inte väl kända:de fysiska ekvationerna som beskriver vätskor är ännu inte lösta när det gäller turbulens. Denna uppgift är ett av matematikens berömda millennieproblem, på vars lösning Clay Mathematics Institute i USA har lagt upp en miljon dollar vardera.

I Center for Wind Energy Research (ForWind) stora vindtunnel, Oldenburg -laget har nu lyckats generera mer turbulenta vindförhållanden än någonsin tidigare. Jämfört med tidigare experiment, forskarna ökade Reynolds -talet hundra gånger och simulerade därmed förhållanden som liknade dem som möttes i en riktig storm. "Vi ser ännu ingen övre gräns, "säger Peinke." Den turbulens som alstras är redan mycket nära verkligheten. "

Experiment i vindtunneln

Oldenburgs vindtunnel har en 30 meter lång teststräcka. Fyra fläktar kan generera vindhastigheter på upp till 150 kilometer i timmen, vilket motsvarar en kategori 1 orkan. För att skapa turbulent luftflöde, forskarna använder ett så kallat aktivt rutnät, som utvecklades för de särskilda kraven i den stora Oldenburg vindtunneln. Strukturen, tre gånger tre meter stora, ligger i början av vindtunneln och består av nästan tusen små, diamantformade aluminiumvingar. Metallplattorna är rörliga. De kan roteras i två riktningar via 80 horisontella och vertikala axlar. Detta gör det möjligt för vindforskarna att selektivt blockera och öppna små delar av vindtunnelmunstycket under en kort tid, orsakar att luft virvlas runt. "Med det aktiva nätet - det största i sitt slag i världen - kan vi generera många olika turbulenta vindfält i vindtunneln, "förklarar Lars Neuhaus, som också är medlem i teamet och spelade en nyckelroll i denna studie.

För experimenten, laget varierade rörelsen på nätet på ett kaotiskt sätt som liknade förhållandena vid turbulent luftflöde. De ändrade också fläktarnas kraft oregelbundet. Således, förutom småskalig turbulens, luftflödet genererade en större rörelse i vindtunnelns längdriktning. "Vårt främsta fynd är att vindtunnelflödet kombinerar dessa två komponenter till perfekt, realistisk stormturbulens, "förklarar medförfattaren Dr. Michael Hölling. Fysikern är också ordförande i den internationella vindtunneltestkommittén vid European Academy of Wind Energy (EAWE). Denna stormturbulens uppstod 10 till 20 meter bakom det aktiva nätet.

Virvlar i liten skala

"Genom att justera gallret och fläktarna i vindtunneln, vi har genererat en storskalig turbulens på cirka tio till hundra meter i storlek. På samma gång, en liten turbulens med dimensioner på några meter och mindre dök upp spontant. Dock, vi vet fortfarande inte exakt varför, "Förklarar Hölling. Som han och hans kollegor rapporterar, detta nya tillvägagångssätt gör det möjligt att skala ner atmosfärisk turbulens som är relevant för vindkraftverk, flygplan eller hus till en storlek av en meter i vindtunneln. Detta gör det möjligt för forskare att genomföra realistiska experiment med miniatyriserade modeller i framtiden - där extrema vindbyar inträffar lika ofta som i verkliga stormar.