Turbulentie is een alomtegenwoordig fenomeen - en een van de grote mysteries van de natuurkunde. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Oldenburg in Duitsland is er nu in geslaagd om realistische stormturbulentie te genereren in de windtunnel van het Center for Wind Energy Research (ForWind).

Sterke stormen lijken vaak willekeurige verwoestingen achter te laten:terwijl de dakpannen van het ene huis worden weggeblazen, het naastgelegen pand mag in het geheel niet worden beschadigd. De oorzaak van deze verschillen zijn windstoten - of, zoals natuurkundigen zeggen, plaatselijke turbulentie. Het is het resultaat van grootschalige atmosferische stromen, maar tot nu toe, het is onmogelijk om het in detail te voorspellen.

Experts van de Universiteit van Oldenburg en de Université de Lyon hebben nu de weg vrijgemaakt voor het bestuderen van kleinschalige turbulentie:het team onder leiding van de Oldenburger natuurkundige prof.dr. Joachim Peinke slaagde erin turbulente stromingen te genereren in een windtunnel. De stromingen leken op die in grote stormen. Het team heeft een manier gevonden om letterlijk een stukje uit een storm te snijden, rapporteren de onderzoekers in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . "Onze experimentele ontdekking maakt van onze windtunnel een model voor een nieuwe generatie van dergelijke faciliteiten waarin, bijvoorbeeld, de effecten van turbulentie op windturbines realistisch kunnen worden onderzocht, ’ zegt Peinke.

De belangrijkste parameter die de turbulentie van een stroming kenmerkt, is het zogenaamde Reynolds-getal:deze fysieke grootheid beschrijft de verhouding van kinetische energie tot wrijvingskrachten in een medium. In simpele termen, je kunt zeggen:hoe groter het Reynoldsgetal, hoe turbulenter de stroming. Een van de grootste mysteries van turbulentie zijn de statistieken:extreme gebeurtenissen zoals sterke, plotselinge windstoten komen vaker voor als je op kleinere schalen kijkt.

Onopgeloste vergelijkingen

"De turbulente wervelingen van een stroming worden ernstiger op kleinere schalen, " legt Peinke uit, die aan het hoofd staat van de onderzoeksgroep Turbulence, Windenergie en stochastiek. In een sterke storm - dat wil zeggen, wanneer het Reynoldsgetal hoog is, wordt een vlieg daarom beïnvloed door veel winderigere stromingsomstandigheden dan, zeggen, een vliegtuig. De specifieke redenen hiervoor zijn niet goed bekend:de fysische vergelijkingen die vloeistoffen beschrijven zijn nog niet opgelost als het gaat om turbulentie. Deze taak is een van de beroemde millenniumproblemen van de wiskunde, op wiens oplossing het Clay Mathematics Institute in de VS elk een miljoen dollar heeft betaald.

In de grote windtunnel van het Centre for Wind Energy Research (ForWind), het team van Oldenburg is er nu in geslaagd om turbulentere windcondities te genereren dan ooit tevoren. In vergelijking met eerdere experimenten, de onderzoekers verhoogden het Reynolds-getal honderd keer en simuleerden zo omstandigheden die vergelijkbaar waren met die in een echte storm. "We zien nog geen bovengrens, ", zegt Peinke. "De opgewekte turbulentie komt al heel dicht bij de werkelijkheid."

Experimenten in de windtunnel

De windtunnel van Oldenburg heeft een 30 meter lang testvak. Vier ventilatoren kunnen windsnelheden tot 150 kilometer per uur genereren, wat overeenkomt met een orkaan van categorie 1. Om turbulente luchtstroom te creëren, de onderzoekers gebruiken een zogenaamd active grid, die is ontwikkeld voor de speciale eisen in de grote windtunnel van Oldenburg. De structuur, drie bij drie meter groot, ligt aan het begin van de windtunnel en bestaat uit bijna duizend kleine, ruitvormige aluminium vleugels. De metalen platen zijn verplaatsbaar. Via 80 horizontale en verticale assen kunnen ze in twee richtingen worden gedraaid. Hierdoor kunnen de windonderzoekers selectief kleine delen van het mondstuk van de windtunnel voor een korte tijd blokkeren en heropenen, waardoor de lucht gaat wervelen. "Met het actieve raster - het grootste in zijn soort ter wereld - kunnen we veel verschillende turbulente windvelden in de windtunnel genereren, " legt Lars Neuhaus uit, die ook lid is van het team en een sleutelrol speelde in dit onderzoek.

Voor de experimenten, het team varieerde de beweging van het rooster op een chaotische manier, vergelijkbaar met de omstandigheden die zich voordoen in turbulente luchtstromen. Ze veranderden ook de kracht van de fans onregelmatig. Dus, naast kleinschalige turbulentie, de luchtstroom zorgde voor een grotere beweging in de lengterichting van de windtunnel. "Onze belangrijkste bevinding is dat de windtunnelstroom deze twee componenten combineert tot perfecte, realistische stormturbulentie, " legt co-auteur Dr. Michael Hölling uit. De fysicus is ook voorzitter van de internationale Wind Tunnel Testing Committee van de European Academy of Wind Energy (EAWE). Deze stormturbulentie ontstond 10 tot 20 meter achter het actieve raster.

Wervelingen op kleine schaal

"Door het rooster en de ventilatoren van de windtunnel aan te passen, we hebben een grootschalige turbulentie gegenereerd van ongeveer tien tot honderd meter groot. Tegelijkertijd, een kleinschalige turbulentie met afmetingen van enkele meters en minder ontstond spontaan. Echter, we weten nog steeds niet precies waarom, " legt Hölling uit. Zoals hij en zijn collega's melden, deze nieuwe aanpak maakt het mogelijk om atmosferische turbulentie die relevant is voor windturbines te verminderen, vliegtuigen of huizen tot één meter groot in de windtunnel. Hierdoor kunnen onderzoekers in de toekomst realistische experimenten uitvoeren met geminiaturiseerde modellen, waarbij extreme windstoten net zo vaak voorkomen als in echte stormen.