Rezept für einen Sturm: Wissenschaftler erzeugen im Labor realistische Sturmturbulenzen.

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Turbulenzen sind ein allgegenwärtiges Phänomen – und eines der großen Rätsel der Physik. Einem Forscherteam aus Oldenburg ist es nun gelungen, im Windkanal des Zentrums für Windenergieforschung (ForWind) realistische Sturmturbulenzen zu erzeugen.

Starke Stürme scheinen oft zufällige Zerstörungen zu hinterlassen: Während die Dachziegel eines Hauses weggeweht werden, wird das benachbarte Grundstück möglicherweise gar nicht beschädigt. Was diese Unterschiede verursacht, sind Windböen – oder, wie Physiker sagen, lokale Turbulenzen. Sie entstehen durch großräumige atmosphärische Strömungen, die aber bisher nicht sehr detailliert vorhergesagt werden können.

Experten der Universität Oldenburg und der Université de Lyon haben nun den Weg für die Erforschung kleinräumiger Turbulenzen geebnet: Dem Team um den Oldenburger Physiker Prof. Dr. Joachim Peinke ist es gelungen, turbulente Strömungen in einem Windkanal zu erzeugen. Die Strömungen ähnelten denen, die bei großen Stürmen auftreten. Das Team hat einen Weg gefunden, buchstäblich eine Scheibe aus einem Sturm herauszuschneiden, berichten die Forscher in der Zeitschrift Physical Review Letters. “Unsere experimentelle Entdeckung macht unseren Windkanal zu einem Modell für eine neue Generation solcher Anlagen, in denen zum Beispiel die Auswirkungen von Turbulenzen auf Windkraftanlagen realistisch untersucht werden können”, sagt Peinke.

Der wichtigste Parameter, der die Turbulenz einer Strömung charakterisiert, ist die so genannte Reynolds-Zahl: Diese physikalische Größe beschreibt das VerhÃ?ltnis von kinetischer Energie zu ReibungskrÃ?ften in einem Medium. In einfachen Worten kann man sagen: Je größer die Reynolds-Zahl, desto turbulenter ist die Strömung. Eines der größten Rätsel der Turbulenz ist ihre Statistik: Extremereignisse wie starke, plötzliche Windböen treten häufiger auf, wenn man kleinere Skalen betrachtet.

Ungelöste Gleichungen

“Die turbulenten Wirbel einer Strömung werden auf kleineren Skalen immer stärker”, erklärt Peinke, der die Forschungsgruppe Turbulenz, Windenergie und Stochastik leitet. In einem starken Sturm – das heißt, wenn die Reynolds-Zahl hoch ist – wird eine Fliege daher von viel böigeren Strömungsbedingungen beeinflusst als beispielsweise ein Flugzeug. Die genauen Gründe dafür sind nicht bekannt: Die physikalischen Gleichungen, die Flüssigkeiten beschreiben, sind noch nicht gelöst, wenn es um Turbulenzen geht. Diese Aufgabe ist eines der berühmten Jahrtausendprobleme der Mathematik, für deren Lösung das Clay Mathematics Institute in den USA je eine Million Dollar aufgewendet hat.

Im großen Windkanal des Zentrums für Windenergieforschung (ForWind) ist es dem Oldenburger Team nun gelungen, mehr turbulente Windverhältnisse zu erzeugen als je zuvor. Im Vergleich zu früheren Experimenten steigerten die Forscher die Reynoldszahl um das Hundertfache und simulierten damit Bedingungen, die denen eines echten Sturms ähneln.  “Eine Obergrenze sehen wir noch nicht”, sagt Peinke. “Die erzeugte Turbulenz ist bereits sehr nah an der Realität”.

Experimente im Windkanal

Der Oldenburger Windkanal verfügt über eine 30 Meter lange Teststrecke. Vier Ventilatoren können Windgeschwindigkeiten von bis zu 150 Kilometern pro Stunde erzeugen, was einem Orkan der Kategorie 1 entspricht. Um eine turbulente Luftströmung zu erzeugen, verwenden die Forscher ein so genanntes aktives Gitter, das für die speziellen Anforderungen im großen Oldenburger Windkanal entwickelt wurde. Die drei mal drei Meter große Struktur befindet sich am Anfang des Windkanals und besteht aus fast tausend kleinen, rautenförmigen Aluminiumflügeln. Die Metallplatten sind beweglich. Über 80 horizontale und vertikale Wellen können sie in zwei Richtungen gedreht werden. Dadurch können die Windforscher gezielt kleine Bereiche der Windkanaldüse für kurze Zeit blockieren und wieder öffnen, wodurch die Luft verwirbelt wird. “Mit dem aktiven Gitter – dem weltweit grössten seiner Art – können wir im Windkanal viele verschiedene turbulente Windfelder erzeugen”, erklärt Lars Neuhaus, der ebenfalls Mitglied des Teams ist und bei dieser Studie eine Schlüsselrolle spielte.

Für die Experimente variierte das Team die Bewegung des Gitters auf chaotische Weise, ähnlich den Bedingungen, die bei turbulenter Luftströmung auftreten. Sie veränderten auch die Leistung der Ventilatoren unregelmäßig. So erzeugte die Luftströmung zusätzlich zu den kleinräumigen Turbulenzen eine grössere Bewegung in Längsrichtung des Windkanals. “Unser Hauptergebnis ist, dass die Windkanalströmung diese beiden Komponenten zu einer perfekten, realistischen Sturmturbulenz kombiniert”, erklärt Co-Autor Dr. Michael Hölling. Der Physiker hat auch den Vorsitz des internationalen Windkanal-Testausschusses der Europäischen Akademie für Windenergie (EAWE) inne. Diese Sturmturbulenz entstand 10 bis 20 Meter hinter dem aktiven Gitter.

Wirbel im kleinen Massstab

“Durch die Anpassung des Gitters und der Ventilatoren des Windkanals haben wir eine großräumige Turbulenz von etwa zehn bis hundert Metern Größe erzeugt. Gleichzeitig entstand spontan eine kleinräumige Turbulenz mit Abmessungen von wenigen Metern und weniger. Wir wissen aber immer noch nicht genau, warum”, erklärt Hölling. Wie er und seine Kollegen berichten, ist es mit diesem neuen Ansatz möglich, atmosphärische Turbulenzen, die für Windkraftanlagen, Flugzeuge oder Häuser relevant sind, auf eine Grösse von einem Meter zu verkleinern

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