Vědci vytvářejí v laboratoři realistické bouřkové turbulence

Aktivní síť v aerodynamickém tunelu může rozvířit proudy vzduchu a vytvářet realistické bouřkové turbulence. Fotografický kredit: University of Oldenburg / Mohssen Assanimoghaddam

Turbulence je všudypřítomný jev – a jedno z velkých tajemství fyziky. Výzkumnému týmu z Oldenburgu se nyní podařilo generovat realistické bouřkové turbulence v aerodynamickém tunelu Centra pro výzkum větrné energie (ForWind).

Zdá se, že silné bouře často zanechávají náhodné zničení: zatímco jsou odfouknuty střešní tašky domu, sousední majetek nesmí být vůbec poškozen. Co tyto rozdíly způsobuje, jsou poryvy větru – nebo, jak říkají fyzici, místní turbulence. Vyplývá to z velkých atmosférických proudů, ale zatím je nemožné je podrobně předpovědět.

Odborníci z University of Oldenburg a Université de Lyon nyní vydláždili cestu pro vyšetřování malých turbulencí: Tým kolem oldenburského fyzika Prof.Dr. Joachimu Peinkemu se podařilo vytvořit turbulentní proudy v aerodynamickém tunelu. Proudy byly podobné proudům ve velkých bouřích. Tým našel způsob, jak doslova vyříznout kousek z bouře, uvedli vědci v časopise Physical Review Letters. “Náš experimentální objev dělá z našeho aerodynamického tunelu model pro novou generaci takových systémů, ve kterých lze realisticky zkoumat například účinky turbulence na větrné energetické systémy,” říká Peinke.

Nejdůležitějším parametrem charakterizujícím turbulenci toku je takzvané Reynoldsovo číslo: Tato fyzikální veličina popisuje poměr kinetické energie k třecím silám v médiu. Jednoduše řečeno, lze říci: čím větší je Reynoldsovo číslo, tím turbulentnější je tok. Jednou z největších hádanek turbulence jsou statistiky: extrémní události jako silný, náhlý poryv větru jsou častější, když se podíváte na menší měřítka.

Fanoušci větrného tunelu Joachim Peinke

Joachim Peinke před čtyřmi fanoušky aerodynamického tunelu. Turbíny mohou generovat rychlost větru až 150 kilometrů za hodinu. Fotografický kredit: University of Oldenburg / Mohssen Assanimoghaddam

Nevyřešené rovnice

„Turbulentní víry toku se v menším měřítku zesilují,“ vysvětluje Peinke, vedoucí výzkumné skupiny Turbulence, větrná energie a stochastika. V silné bouři – to znamená, že když je Reynoldsovo číslo vysoké – je tedy moucha ovlivněna mnohem nárazovějšími podmínkami proudění než například letadlo. Konkrétní důvody nejsou známy: Fyzikální rovnice popisující kapaliny dosud nebyly s ohledem na turbulenci vyřešeny. Tento úkol je jedním ze slavných Millennium Problems of Mathematics, které Clay Mathematics Institute v USA utratil za řešení každý milion dolarů.

Ve velkém aerodynamickém tunelu Centra pro výzkum větrné energie (ForWind) se Oldenburskému týmu podařilo vytvořit bouřlivější větrné podmínky než kdykoli předtím. Ve srovnání s předchozími experimenty vědci zvýšili Reynoldsovo číslo o faktor 100, simulující podmínky, které byly tak podobné podmínkám skutečné bouře. „Ještě nevidíme horní hranici,“ říká Peinke. „Generovaná turbulence je již velmi realistická.“

Hliníkové desky ve tvaru diamantu

Téměř tisíc hliníkových desek ve tvaru kosočtverce lze otáčet ve dvou směrech s 80 hnacími hřídeli. Fotografický kredit: University of Oldenburg / Mohssen Assanimoghaddam

Pokusy v aerodynamickém tunelu

Oldenburgský aerodynamický tunel má 30 metrů dlouhou zkušební dráhu. Čtyři fanoušci mohou generovat rychlost větru až 150 kilometrů za hodinu, což odpovídá hurikánu kategorie 1. Aby generovali turbulentní proudění vzduchu, používají vědci tzv. Aktivní síť, která byla vyvinuta pro speciální požadavky ve velkém oldenburském aerodynamickém tunelu. Konstrukce o rozměrech tři metry je na začátku větrného tunelu a skládá se z téměř tisíce malých hliníkových křídel ve tvaru diamantu. Kovové desky jsou pohyblivé. Lze je otáčet ve dvou směrech přes 80 vodorovných a svislých hřídelí. Tímto způsobem mohou vědci v oblasti větru na krátkou dobu selektivně blokovat a znovu otevírat malé oblasti trysky aerodynamického tunelu, které víří vzduch. „S aktivní sítí – největší svého druhu na světě – můžeme ve větrném tunelu generovat mnoho různých turbulentních větrných polí,“ vysvětluje Lars Neuhaus, který je také členem týmu a hrál v této studii klíčovou roli.

Pro experimenty tým měnil pohyb mřížky chaotickým způsobem, podobně jako turbulentní proudy vzduchu. Rovněž nepravidelně změnili výkon fanoušků. Kromě malé turbulence tedy proud vzduchu generoval větší pohyb v podélném směru aerodynamického tunelu. “Naším nejdůležitějším zjištěním je, že proudění v aerodynamickém tunelu spojuje tyto dvě složky do dokonalé, realistické bouřkové turbulence,” vysvětluje spoluautor Dr. Michael Hölling. Fyzik je také předsedou mezinárodní komise pro zkoušku v aerodynamickém tunelu Evropské akademie pro větrnou energii (EAWE). Tato bouřková turbulence nastala 10 až 20 metrů za aktivní sítí.

Víry v malém měřítku

“Přizpůsobením sítě a ventilátorů ve větrném tunelu jsme vytvořili velké turbulence o velikosti přibližně deset až sto metrů.” Současně se spontánně objevily malé turbulence o rozměrech několika metrů nebo méně. Stále však přesně nevíme proč, “vysvětluje Hölling. Jak uvádí on a jeho kolegové, tento nový přístup umožňuje snížit v aerodynamickém tunelu atmosférické turbulence relevantní pro větrné turbíny, letadla nebo domy na velikost jednoho metru. Tímto způsobem budou vědci v budoucnu schopni provádět realistické experimenty s miniaturizovanými modely – ve kterých se extrémní poryvy vyskytují stejně často jako ve skutečných bouřích.

Odkaz: „Generování atmosférických turbulencí s bezprecedentně velkým Reynoldsovým číslem v aerodynamickém tunelu“, autor: Lars Neuhaus, Michael Hölling, Wouter JT Bos a Joachim Peinke, 9. října 2020, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.154503

Financování: Spolkové ministerstvo hospodářství a energetiky v Německu, ministerstvo pro vědu a kulturu v Dolním Sasku, Německá výzkumná nadace.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Hojnost života v korálových útesech je záhadná již od dob Charlese Darwina – nový výzkum poskytuje odpovědi

Ryby krmící plankton často kontrolují shromáždění ryb v oceánských korálových útesech. Uznání: Dr. Christina Skinner Studie odhaluje otevřenou mořskou vodu, která byla dříve považována...

Vysvětlují mladiství „tyrani“ – potomci masožravých dinosaurů nedostatek rozmanitosti dinosaurů?

Nový výzkum naznačuje, že potomci obrovských masožravých dinosaurů, jako je Tyrannosaurus rex, mohli zásadně přetvořit svá společenství překonáním menších konkurenčních druhů. Fotografický kredit:...

Datové limity mohou zmizet s novými optickými anténami – „světelné kroužky“

Vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley našli nový způsob řízení vlastností světelných vln, který by mohl radikálně zvýšit množství dat, která přenášejí. Ukázali...

Odhalení vzácného ošetření mrtvoly „Mud Carapace“ pro egyptské mumie – a případ falešné identity

Mumifikovaná osoba a rakev ve sbírce Nicholson Collection v muzeu křídla Chau Chak, University of Sydney. A. Mumifikovaný jedinec zabalený v moderním pouzdře...

Asteroidový prášek nalezený v kráteru uzavírá případ o tom, co zabilo dinosaury

Vědci se domnívají, že jednoznačným spojením toho, co dinosaury zabilo jejich vyhynutí, s asteroidem, který zasáhl Zemi před 66 miliony let, našli klíčový důkaz:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.