Oamenii de știință generează turbulențe realiste de furtună în laborator

Rețeaua activă din tunelul eolian poate determina fluxurile de aer să genereze turbulențe realiste de furtună. Credit: Universitatea din Oldenburg / Mohssen Assanimoghaddam

Turbulența este un fenomen omniprezent și unul dintre marile mistere ale fizicii. O echipă de cercetare din Oldenburg a reușit acum să genereze turbulențe de furtună realiste în tunelul de vânt al Centrului de Cercetare a Energiei Eoliene (ForWind).

Furtunile puternice par adesea să lase în urmă distrugerea aleatorie: chiar dacă plăcile unei case sunt îndepărtate, este posibil ca proprietatea vecină să nu fie deteriorată. Ceea ce cauzează aceste diferențe sunt rafalele de vânt sau, după cum spun fizicienii, turbulențele locale. Rezultă din fluxuri atmosferice pe scară largă, dar până acum este imposibil să se prevadă în detaliu.

Experții de la Universitatea din Oldenburg și Universitatea din Lyon au deschis acum calea pentru studierea turbulenței la scară mică: echipa condusă de profesorul fizician din Oldenburg, Joachim Peinke, a reușit să genereze fluxuri turbulente într-un tunel de vânt. Fluxurile seamănă cu cele care au avut loc în furtuni mari. Echipa a găsit o modalitate de a tăia literalmente o porțiune de furtună, potrivit cercetătorilor din revista Physical Review Letters. „Descoperirea noastră experimentală face ca tunelul nostru eolian să fie un model pentru o nouă generație a acestor instalații în care, de exemplu, efectele turbulenței asupra turbinelor eoliene pot fi cu adevărat investigate”, spune Peinke.

Cel mai important parametru care caracterizează turbulența unui flux este așa-numitul număr Reynolds: această mărime fizică descrie raportul dintre energia cinetică și forțele de frecare dintr-un mediu. În termeni simpli, se poate spune: Cu cât numărul Reynolds este mai mare, cu atât fluxul este mai turbulent. Unul dintre cele mai mari mistere ale turbulenței este statisticile sale: evenimentele extreme, cum ar fi rafale puternice, bruște de vânt, apar mai frecvent dacă vă uitați la scări mai mici.

Fanii tunelului vântului de Joachim Peinke

Joachim Peinke în fața celor patru ventilatoare ale tunelului vântului. Turbinele pot genera viteze ale vântului de până la 150 de kilometri pe oră. Credit: Universitatea din Oldenburg / Mohssen Assanimoghaddam

Ecuații nerezolvate

„Turburile turbulente dintr-un flux devin mai severe la scări mai mici”, explică Peinke, care conduce grupul de cercetare Turbulență, Energie Eoliană și Stochastic. Într-o furtună puternică, adică atunci când numărul Reynolds este mare, prin urmare, o muscă este afectată de condiții de curgere mult mai gustoase decât, să zicem, un avion. Motivele specifice pentru acest lucru nu sunt bine cunoscute: ecuațiile fizice care descriu fluidele nu sunt încă rezolvate când vine vorba de turbulențe. Această sarcină este una dintre faimoasele probleme milenare ale matematicii, la soluția căreia Clay Mathematics Institute din Statele Unite a alocat câte un milion de dolari.

În marele tunel de vânt al Centrului de Cercetare a Energiei Eoliene (ForWind), echipa Oldenburg a reușit acum să genereze condiții de vânt mai turbulente decât oricând. Comparativ cu experimentele anterioare, cercetătorii au mărit numărul de Reynolds de o sută de ori și, prin urmare, au simulat condiții similare celor găsite într-o furtună reală. „Încă nu vedem o limită superioară”, spune Peinke. „Turbulența generată este deja foarte aproape de realitate”.

Plăci de aluminiu în formă de diamant

Aproape o mie de plăci de aluminiu în formă de diamant pot fi rotite în două direcții folosind 80 de arbori de transmisie. Credit: Universitatea din Oldenburg / Mohssen Assanimoghaddam

Experimente în tunelul vântului

Tunelul eolian Oldenburg are o secțiune de testare lungă de 30 de metri. Patru ventilatoare pot genera viteze ale vântului de până la 150 de kilometri pe oră, ceea ce corespunde unui uragan de categoria 1. Pentru a crea un flux de aer turbulent, cercetătorii folosesc așa-numita rețea activă, care a fost dezvoltată pentru nevoile specialități ale marelui tunel de vânt Oldenburg. Structura, de trei la trei metri, este situată la începutul tunelului eolian și constă din aproape o mie de aripi mici de aluminiu în formă de diamant. Plăcile metalice sunt mobile. Pot fi rotite în două direcții folosind 80 de axe orizontale și verticale. Acest lucru permite cercetătorilor eolieni să blocheze și să redeschidă selectiv zone mici ale duzei tunelului eolian pentru o perioadă scurtă de timp, provocând o răsucire în aer. „Cu rețeaua activă – cea mai mare de acest gen din lume – putem genera multe câmpuri eoliene diferite în tunelul eolian”, explică Lars Neuhaus, care este, de asemenea, membru al echipei și a jucat un rol cheie în acest sens. studiu.

Pentru experimente, echipamentul a modificat mișcarea rețelei într-o manieră haotică similară condițiilor care apar în fluxul de aer turbulent. De asemenea, au schimbat neregulat puterea fanilor. Astfel, pe lângă turbulența la scară mică, fluxul de aer a generat o mișcare mai mare în direcția longitudinală a tunelului de vânt. „Constatarea noastră principală este că fluxul tunelului de vânt combină aceste două componente într-o turbulență de furtună perfectă și realistă”, explică co-autorul Dr. Michael Hölling. De asemenea, fizicianul prezidează Comitetul internațional de testare a tunelului eolian al Academiei Europene pentru Energie Eoliană (EAWE). Această turbulență a furtunii a apărut între 10 și 20 de metri în spatele rețelei active.

Turnee la scară mică

„Prin ajustarea rețelei și a ventilatoarelor tunelului de vânt, am generat o turbulență pe scară largă de aproximativ zece până la o sută de metri. În același timp, au apărut spontan turbulențe la scară mică, cu dimensiuni de câțiva metri și mai puține. Cu toate acestea, încă nu știm exact de ce ”, explică Hölling. Potrivit lui și al colegilor săi, această nouă abordare reduce turbulențele atmosferice relevante pentru turbine eoliene, avioane sau case de până la un metru în tunelul vântului. Acest lucru va permite cercetătorilor să efectueze în viitor experimente realiste cu modele miniaturizate, în care izbucnirile extreme se produc cu aceeași frecvență ca în furtunile reale.

Referință: „Generarea turbulenței atmosferice cu un număr Reynolds mare fără precedent într-un tunel de vânt” de Lars Neuhaus, Michael Hölling, Wouter JT Bos și Joachim Peinke, 9 octombrie 2020, Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.154503

Finanțare: Ministerul Federal German pentru Economie și Energie, Saxonia Inferioară Ministerul Științei și Culturii, Fundația Germană de Cercetare.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.