Neues Forschungsfeld findet neue Turbulenz

In einer diese Woche in PNAS erscheinenden, Publikation lösen Björn Hof und seine Kollegen aus den Universitäten Saarbrücken, Vermont, Edinburgh und dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation das Rätsel, wie die Zugabe von Polymeren die Reibung in Flüssigkeiten reduzieren kann, und zeigt, dass eine Instabilität für diesen Effekt verantwortlich ist (DOI: 10.1073/pnas.1219666110). In turbulenten Flüssigkeiten wird Reibung am effizientesten durch die Zugabe von kleinen Mengen an Polymeren verringert. Dieser Trick wird zum Beispiel in Öl-Pipelines und Abwasser-, Heizungs- und Bewässerungssystemen angewendet, um einen konstanten Fluss zu erzeugen. Empirische Daten haben gezeigt, dass die mögliche Reibungsreduktion durch die sogenannte MDR Asymptote begrenzt ist. Wie die Zugabe von Polymeren tatsächlich Reibung reduziert und woher das Limit dabei stammt, war allerdings noch nicht verstanden worden. Indem Björn Hof und sein Team sowohl experimentelle als auch numerische Zugänge verwendeten, zeigten sie, dass hier eine neue Art von Turbulenz am Werk ist.

Reynolds Zahlen messen, wie turbulent eine Flüssigkeit ist, während die Weissenberg Zahl die elastischen Spannungen in einer Flüssigkeit, die durch zugegebene Polymere entstehen können, misst. Kürzlich wurde gezeigt, dass bei hohen Weissenberg Zahlen eine neue Art von ungeordneter Bewegung entsteht, die sogenannte elastische Turbulenz. Björn Hof und sein Team erforschten die Interaktion zwischen Newton’scher und elastischer Turbulenz während der Beigabe von Polymeren. Ihre Experimente zeigen, dass eine kleine Menge an beigemengten Polymeren den Übergang von ruhigem, laminaren Fluss zur Newton’schen Turbulenz verzögert. Bei hoher Schergeschwindigkeit entsteht ein neuer Zustand, den sie als elasto-inertiale Turbulenz (EIT) bezeichneten. Diese EIT steht im Zusammenhang mit elastischer Turbulenz, berücksichtigt aber auch die Trägheit der Flüssigkeit. Wenn einer Flüssigkeit eine hohe Anzahl an Polymeren beigemengt wird, tritt EIT bei niedrigeren Reynolds Zahlen auf als der Übergang zur Newton’schen Turbulenz erfolgt, sodass die EIT die Newton’sche Turbulenz unterdrückt. Entgegen vorheriger Annahmen zeigen die ForscherInnen, dass Polymere den Übergang von ruhigem Fluss zur Newton’schen Turbulenz durch EIT verzögern oder unterdrücken. Björn Hof und sein Team zeigen daher experimentell und numerisch (die Simulationen stammen von Prof. Yves Dubief, Vermont University) , dass eine neue Art von Turbulenz, die elasto-intertiale Turbulenz, durch Polymerzugabe verursacht wird.