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Forscher entschlüsseln Turbulenz-Problem bei Rotorblättern

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Oldenburg - Turbulenzen mathematisch zu beschreiben ist eines der großen ungelösten Probleme der Physik. In der Windphysik ist vor allem der Punkt entscheidend, bei dem der Übergang zur turbulenten Strömung erfolgt. Forscher sind jetzt einen Schritt weiter.

Einem Team von Wissenschaftlern um den Oldenburger Physiker Prof. Dr. Joachim Peinke und den Osnabrücker Mathematiker Dr. Pedro G. Lind ist es gelungen, experimentell nachzuvollziehen, wie Turbulenz an einem Flügelprofil entsteht. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, beispielsweise die Rotorflügel von Windkraftanlagen weiter zu optimieren.

Übergang von laminarer zur turbulenten Strömung entscheidend
Als Turbulenz bezeichnet man eine Strömung, die durch Unordnung geprägt ist. Demgegenüber stehen glatte, sogenannte laminare Strömungen. Wann genau eine laminare Strömung in eine turbulente umschlägt, lässt sich an der sogenannten Reynolds-Zahl ablesen. Der Übergang findet jedoch nicht immer abrupt statt. Vielmehr gibt es oft eine Art Mix-Übergangszone: In dieser existieren laminare und turbulente Strömung gleichzeitig. Die zunächst vereinzelt auftretenden Verwirbelungen werden immer häufiger – bis sie einen kritischen Punkt überschreiten und sich zu einer vollständigen Turbulenz entwickeln.

Anwendung des Perkolationsmodells - Turbulenz-Umschlagspunkt bestimmbar
Der französischen Turbulenz- und Chaos-Forschers Yves Pomeau stellte bereits 1986 die Theorie auf, dass Verwirbelungen entsprechend dem Modell der sogenannten direkten Perkolation entstehen. Anhand eines Perkolationsmodells lässt sich beispielsweise beschreiben, wie sich Epidemien von einzelnen Personen auf eine gesamte Region ausbreiten. Die Oldenburger Windexperten haben die Theorie nun erstmals hinsichtlich ihrer praktischen Anwendung für aerodynamische Probleme im Windkanal überprüft. Die Datenauswertung zeigte, dass sich die Ergebnisse des Experiments eindeutig dem theoretischen Modell der direkten Perkolation zuordnen ließen. „Mit dieser Arbeit haben wir den ersten experimentellen Hinweis erbracht, dass Perkolationsmodelle eine praktische Relevanz für die Aerodynamik von Flügeln haben“, sagt Dominik Traphan, Doktorand im Team von Peinke und Erstautor der Studie. Damit könne man nun den Punkt, an dem die laminare Strömung in die Turbulenz umschlage, genau bestimmen.

Forschungsergebnisse: hohe Bedeutung für Windenergie
„Die Ergebnisse unserer Grundlagenforschung haben eine hohe Relevanz für die Entwicklung von Rotorflügel-Profilen“, sagt Peinke. Denn: Wird die Luftströmung am Flügel turbulent, entsteht eine sogenannte laminare Ablöseblase – und damit wirken Kräfte auf den Flügel ein, die mit der Zeit zur Ermüdung des Materials beitragen. Windkraftanlagen können auf Basis der Forschungsergebnisse weiter optimiert werden, so Peinke.

© IWR, 2018


09.05.2018