Wetenschappers hebben aangenomen dat zodra een vloeistofstroom turbulent is geworden, turbulentie zou blijven bestaan. Onderzoekers van het Instituut voor Wetenschap en Technologie Oostenrijk (IST Oostenrijk), waaronder professor Björn Hof en co-eerste auteurs Jakob Kühnen en Baofang Song, hebben nu aangetoond dat dit niet het geval is. In hun experimenten, waarin ze publiceerden Natuurfysica , ze destabiliseerden de turbulentie in een pijp, zodat de stroming veranderde in een laminaire (niet-turbulente) toestand, en ze merkten op dat de stroming daarna laminair bleef. Het elimineren van turbulentie kan tot 95 procent besparen op de energie die nodig is om een ​​vloeistof door een leiding te pompen.

De hoeveelheid energie die de industrie gebruikt om vloeistoffen door leidingen te pompen, is aanzienlijk en komt overeen met ongeveer 10 procent van het wereldwijde elektriciteitsverbruik. Het is dan ook niet verwonderlijk dat onderzoekers wereldwijd zoeken naar manieren om deze kosten te verlagen. Het grootste deel van deze energieverliezen wordt veroorzaakt door turbulentie, een fenomeen dat leidt tot een drastische toename van wrijvingsweerstand, veel meer energie nodig om de vloeistof te pompen. Eerdere benaderingen waren gericht op het lokaal verminderen van turbulentieniveaus. Nutsvoorzieningen, de onderzoeksgroep van Björn Hof van IST Oostenrijk heeft een geheel nieuwe aanpak gekozen, het probleem van een andere kant aanpakken. In plaats van de turbulentie tijdelijk te verzwakken, ze destabiliseerden de bestaande turbulentie, zodat de stroming automatisch laminair werd.

In een zogenaamde laminaire stroming, een vloeistof stroomt in parallelle lagen die niet mengen. Het tegenovergestelde hiervan is een turbulente stroming, die wordt gekenmerkt door wervelingen en chaotische veranderingen in druk en snelheid in de vloeistof. De meeste stromen die we in de natuur en in de techniek kunnen waarnemen, zijn turbulent, van de rook van een gedoofde kaars tot de bloedstroom in de linker hartkamer. in pijpen, zowel laminaire als turbulente stromingen kunnen, in principe, bestaan ​​en stabiel zijn, maar een kleine verstoring kan een laminaire stroming turbulent maken. Turbulentie in leidingen werd tot nu toe als stabiel beschouwd, en inspanningen om energiekosten te besparen waren daarom alleen gericht op het verminderen van de omvang, maar niet om het volledig te doven. In hun bewijs van principe, Björn Hof en zijn groep hebben nu aangetoond dat deze veronderstelling onjuist was, en dat een turbulente stroming kan, inderdaad, worden omgezet in een laminaire. De stroming blijft daarna laminair tenzij deze opnieuw wordt verstoord.

“Niemand wist dat het in de praktijk mogelijk was om turbulentie weg te werken. We hebben nu bewezen dat het kan. Dit opent nieuwe mogelijkheden om toepassingen voor pijpleidingen te ontwikkelen, " legt Jakob Kühnen uit.

Het geheim zit in het snelheidsprofiel, d.w.z., in de variatie van de stroomsnelheid bij het bekijken van verschillende posities in de dwarsdoorsnede van de buis. De stroming is het snelst in het midden van de leiding, terwijl deze bij de wanden veel langzamer is. Door rotoren in de stroming te plaatsen die het verschil tussen de vloeistof in het midden en die dicht bij de wand verkleinden, de onderzoekers wisten een "platter" profiel te krijgen. Voor dergelijke stromingsprofielen, de processen die turbulente wervelingen in stand houden en creëren, mislukken en de vloeistof keert geleidelijk terug naar een soepele laminaire beweging en het bleef laminair totdat het het einde van de pijp bereikte. Een andere manier om het vlakke snelheidsprofiel te verkrijgen was door vloeistof uit de wand te injecteren. Nog een andere implementatie van het idee van een vlak snelheidsprofiel was een bewegend deel van de pijp:door de wanden snel over een stuk van de pijp te bewegen, ze kregen ook hetzelfde vlakke profiel dat de laminaire stroming herstelde.

De groep heeft al twee patenten geregistreerd voor hun ontdekking. Echter, het omzetten van dit proof of concept-experiment in een systeem dat kan worden gebruikt in echte olie- of waterpijpleidingen over de hele wereld, zal wat meer ontwikkelingsinspanningen vergen. Tot dusver, het concept is bewezen voor relatief kleine snelheden, maar voor gebruik in pijpleidingen, een toepassing die met grotere snelheid werkt, is nodig. Bij computersimulaties echter, het vlakke snelheidsprofiel leidde altijd tot een succesvolle eliminatie van turbulentie, wat veelbelovend is voor toekomstige ontwikkelingen.

"Bij computersimulaties we hebben de impact van het vlakke snelheidsprofiel getest voor Reynolds-getallen tot 100.000, en het heeft absoluut overal gewerkt. De volgende stap is nu om het ook te laten werken voor hoge snelheden in de experimenten, ", zegt Björn Hof.