Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Ny tilnærming kan spare opptil 95 prosent av energien som brukes til rørledninger

Anonim

Inntil nå hadde det vært antatt at når en væskestrøm har blitt turbulent, ville turbulens fortsette. Forskere ved Institutt for vitenskap og teknologi Østerrike (IST Østerrike) inkludert professor Björn Hof og medforfattere Jakob Kühnen og Baofang Song har nå vist at dette ikke er tilfelle. I deres eksperimenter, som de publiserte i Nature Physics, klarte de å destabilisere turbulens i et rør, slik at strømmen vendte seg til en laminær (ikke-turbulent) tilstand, og de observerte at strømmen forblir laminær deretter. Eliminere turbulens kan spare så mye som 95% av energien som kreves for å pumpe et væske gjennom et rør.

annonse


Fra vann til olje og til naturgass transporteres en enorm mengde væsker over hele verden gjennom rør. Mengden energi som brukes til å pumpe disse væskene, er betydelig og tilsvarer omtrent 10% av det globale elforbruket. Det kommer derfor ikke som en overraskelse at forskere over hele verden jobber intensivt for å finne måter å redusere disse kostnadene. Hoveddelen av disse energitapene er forårsaket av turbulens, et fenomen som fører til en drastisk økning i friksjonsmotstand, og dermed er mye mer energi nødvendig for å pumpe væsken. Tidligere tilnærminger har til hensikt å lokalt redusere turbulensnivåer. Nå har undersøkelsesgruppen av Björn Hof i IST Austria tatt en helt ny tilnærming, som løser problemet fra en annen side: i stedet for å midlertidig svekke turbulensen klarte de å destabilisere eksisterende turbulens, slik at strømmen automatisk blir laminær.

I en såkalt laminær strøm strømmer et fluid i parallelle lag som ikke blandes. Det motsatte av dette er en turbulent strøm som kjennetegnes av vorter og kaotiske endringer i trykk og hastighet i væsken. De fleste strømmer vi kan observere i naturen og i konstruksjonen er turbulente, fra røyk av et slukket lys til blodstrømmen i hjertets venstre hjerte. I rør kan både laminære og turbulente strømmer i prinsippet eksistere og være stabile, men allerede en liten forstyrrelse kan gjøre en laminær strømning turbulent. Turbulens i rør var frem til nå antatt å være stabil, og arbeidet med å spare energikostnader fokuserte derfor bare på å redusere størrelsen, men ikke for å fullstendig slukke den. I prinsippet om prinsipp har Björn Hof og hans gruppe nå vist at denne antakelsen var feil, og at en turbulent flyt faktisk kan transformeres til en laminær. Strømmen blir deretter laminær med mindre den blir forstyrret igjen.

"Ingen visste at det var mulig å bli kvitt turbulens i praksis. Vi har nå bevist at det kan gjøres. Dette åpner for nye muligheter for å utvikle applikasjoner for rørledninger, " forklarer Jakob Kühnen.

Hemmeligheten ligger i hastighetsprofilen, dvs. i variasjonen av strømningshastigheten når man ser på forskjellige stillinger i rørets tverrsnitt. Strømmen er raskest i midten av røret mens den er mye langsommere nær veggene. Ved å plassere rotorer i strømmen som reduserte forskjellen mellom væsken i midten og nær ved veggen, klarte forskerne å oppnå en "flatere" profil. For slike strømningsprofiler feiler prosessene som opprettholder og skaper turbulente eddier, og væsken går gradvis tilbake til jevn laminar bevegelse, og den forblir laminar til den kommer til enden av røret. En annen måte å oppnå flathastighetsprofilen på var å injisere væske fra veggen. Enda en annen implementering av ideen om en flathastighetsprofil var en bevegelig del av røret: ved å bevege veggene raskt over en strekning av røret oppnådde de også den samme flate profilen som restaurerte laminarstrømmen.

Gruppen har allerede registrert to patenter for oppdagelsen. Men å gjøre dette beviset på konsepteksperiment i et system som kan brukes i selve olje- eller vannledninger over hele verden, vil kreve litt mer innsats i utviklingen. Hittil er konseptet vist for relativt små hastigheter, men for bruk i rørledninger vil en applikasjon som arbeider med større hastighet være nødvendig. I datasimuleringer førte imidlertid flathastighetsprofilen til en vellykket eliminering av turbulens, noe som er veldig lovende for fremtidig utvikling.

"I datasimulasjoner har vi testet effekten av flathastighetsprofilen for Reynolds tall på opptil 100 000, og den har fungert helt overalt. Det neste skrittet er nå å få det til å fungere også for høye hastigheter i forsøkene, sier Björn Hof .

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av Institutt for vitenskap og teknologi Østerrike . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. Jakob Kühnen, Baofang Song, Davide Scarselli, Nazmi Burak Budanur, Michael Riedl, Ashley P. Willis, Marc Avila, Björn Hof. Destabiliserende turbulens i rørstrømmen . Naturfysikk, 2018; DOI: 10, 1038 / s41567-017-0018-3