Sturm im Windkanal

Die Zerstörung, die ein starker Sturm hinterlässt, scheint oft wahllos zu sein: Während bei einem Haus das Dach abgedeckt wird, sind auf dem benachbarten Grundstück womöglich keinerlei Schäden zu verzeichnen. Ursache für diese Unterschiede sind Windböen – physikalisch ausgedrückt: lokale Turbulenzen. Sie entstehen aus großräumigen atmosphärischen Strömungen, doch ihre Vorhersage ist bislang unmöglich. Experten der Universität Oldenburg und der Université de Lyon haben nun die Voraussetzung geschaffen, um kleinräumige Turbulenzen untersuchen zu können: Dem Team um den Oldenburger Physiker Joachim Peinke gelang es, im Windkanal turbulente Strömungen zu erzeugen, wie sie für große Wirbel­stürme charakteristisch sind. Nun berichten die Forscher, dass sie einen Weg gefunden haben, um aus einem Sturm sozusagen ein Stück heraus­zuschneiden. „Unsere experimentelle Entdeckung macht unseren Windkanal zum Vorbild für eine neue Generation solcher Anlagen, in denen zum Beispiel die Auswirkungen von Turbulenzen auf Wind­energie­anlagen realistisch erforscht werden können“, sagt Peinke.
 

Das wichtigste Maß für die Turbulenz einer Strömung ist die Reynolds-Zahl: Diese beschreibt das Verhältnis von Bewegungs­energie und bremsenden Reibungs­kräften in einem Medium. Vereinfacht lässt sich sagen, dass sich eine Strömung umso turbulenter verhält, je größer die Reynolds-Zahl ist. Eines der größten Rätsel der Turbulenz besteht darin, dass Extrem­ereignisse wie starke, plötzliche Windstöße umso häufiger auftreten, je kleiner die Größenskala ist, auf der man die Turbulenz betrachtet.

„Die turbulenten Verwirbelungen einer Strömung werden auf kleineren Skalen heftiger“, erläutert Peinke, der die Arbeits­gruppe Turbulenz, Windenergie und Stochastik leitet. In einem starken Sturm – also bei einer hohen Reynolds-Zahl – sei eine Fliege daher von deutlich böigeren Luft­strömungen betroffen als etwa ein Flugzeug. Die genauen Gründe dafür sind bislang unklar: Die physikalischen Gleichungen, die Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen beschreiben, sind für den Fall der Turbulenz bislang ungelöst. Diese Aufgabe zählt zu den berühmten Millennium-Problemen der Mathematik, auf deren Lösung das Clay Mathematics Institute in den USA jeweils eine Million Dollar ausgesetzt hat.

Dem Oldenburger Team gelang es nun, die Reynolds-Zahl der Luftströmung bei Experimenten im großen Windkanal des Zentrums für Wind­energie­forschung (ForWind) an der Universität Oldenburg im Vergleich zu bisherigen Experimenten um den Faktor hundert zu erhöhen und damit in Bereiche vorzudringen, wie sie in einem echten Sturm herrschen. „Ein oberes Limit sehen wir noch nicht“, so Peinke. Die erzeugten Turbulenzen seien bereits sehr nah an der Realität.

Der Oldenburger Windkanal verfügt über eine dreißig Meter lange Messstrecke. Vier Rotoren können Luft­strömungen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 150 Kilometern pro Stunde erzeugen, was einem Hurrikan der Kategorie 1 entspricht. Um die Luft­strömung zu verwirbeln, nutzen die Forscher ein aktives Gitter, welches für die speziellen Anforderungen in einem so großen Windkanal in Oldenburg weiter­entwickelt wurde. Die drei mal drei Meter große Konstruktion befindet sich am Anfang des Windkanals und besteht aus knapp tausend kleinen, rauten­förmigen Aluminium­flügeln. Die Metallplatten sind beweglich, sie lassen sich über achtzig horizontal und senkrecht verlaufende Antriebs­wellen in zwei Richtungen drehen. So können die Windforscher gezielt kleine Bereiche der Windkanal­düse kurz versperren und wieder öffnen, wodurch sich die Luft verwirbelt. „Mit dem aktiven Gitter – dem größten seiner Art weltweit – können wir viele unterschiedliche turbulente Windfelder im Windkanal erzeugen“, erläutert Lars Neuhaus, der in Peinkes Team forscht und maßgeblich an der Studie beteiligt war.

Für die Experimente variierte das Team nicht nur die Bewegung des Gitters ähnlich chaotisch wie in einer turbulenten Luftströmung, sondern auch die Leistung der Gebläse. So wurde in der Luftströmung zusätzlich zu den kleinskaligen Verwirbelungen eine größere Bewegung in Längsrichtung des Wind­kanals erzeugt. „Die eigentliche Entdeckung liegt darin, dass die Windkanal­strömung diese beiden Komponenten zu einer perfekten, realistischen Sturm­turbulenz fortsetzt“, erläutert Co-Autor Dr. Michael Hölling, der bei ForWind den Windkanal betreut. Diese Sturmturbulenz bildete sich zehn bis zwanzig Meter hinter dem aktiven Gitter.

„Mit dem Gitter und den Gebläsen haben wir eine großskalige Turbulenz mit einem Ausmaß von in etwa zehn bis hundert Metern vorgegeben. Im Windkanal stellte sich dazu eine kleinskalige Turbulenz mit Größen von einigen Metern und kleiner von alleine ein – warum, wissen wir noch nicht genau“, erläutert Hölling. Wie er und seine Kollegen berichten, lassen sich durch diesen neuen Ansatz atmosphärische Verwirbelungen, die für Windkraft­anlagen, Flugzeuge oder Häuser relevant sind, im Windkanal auf eine Skala von einem Meter reduzieren. Das erlaubt es den Forschern, in Zukunft mit verkleinerten Modellen realistische Experimente durchzuführen – in denen extreme Böen genauso häufig auftreten wie in echten Stürmen. 

U. Oldenburg / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Neuhaus et al.: Generation of Atmospheric Turbulence with Unprecedentedly Large Reynolds Number in a Wind Tunnel, Phys. Rev. Lett. 125, 154503 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.154503
• Turbulenz, Windenergie und Stochastik (J. Peinke), Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg