Neuer Ansatz versteht Turbulenzen genauer

20. September 2021 11:39

Zürich - Schweizer Forschende haben eine neue Methode entwickelt, die Wirbel in Flüssigkeiten genauer und einfacher analysiert. Sie kann das Wetter und Strömungsverhältnisse in Gewässern besser verstehen. Auch Wirbelbildungen bei Herzklappen könnten damit vermieden werden.

Schweizer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, prinzipiell chaotische Strömungssysteme berechenbarer zu machen. Das ermöglicht bessere Vorhersagesysteme. Um die Wirbelbewegungen und deren Energie in Flüssigkeiten zu charakterisieren, wurden bisher Kugeln als Markierungsteilchen eingesetzt. In Laborversuchen erfassen Kameras die Teilchenbewegung in transparenten, mit Wasser gefüllten Messkästen. Ab einer bestimmten Menge von Kugeln überlagern sie sich in den Kamerabildern. Dann ist eine höhere Auflösung nicht möglich.

Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und der Gruppe für Umweltströmungsmechanik – einer gemeinsamen interdisziplinären Forschungseinheit der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) und des Wasserforschungsinstituts Eawag des ETH-Bereichs­ – setzen statt Kugeln starre Fasern ein und erfassen die Bewegungen ihrer Enden. „Was als kleine Änderung des experimentellen Setups erscheint, hat enorme Auswirkungen auf den Messaufwand und auf die Genauigkeit“, heisst es in einer Medienmitteilung von ETH und Eawag.

Die Enden von Fasern liefern die gesamten statistischen Daten, die für die Charakterisierung einer Wirbelbewegung und deren Energie notwendig sind, auch im offenen Meer. Dort könne die Faser aus zwei GPS-bestückten Bojen gestaltet werden, indem man sie durch ein langes Kabel miteinander verbindet.

Die Methode kann also die Energien von Wirbeln in Flüssigkeiten über die ganze Skalenbreite von wenigen Millimetern bis zu riesigen Strudeln im Meer viel genauer und vor allem viel einfacher messen. Das ist von Vorteil, wenn es um Wettervorhersagen, um Verständnis und Steuerung in industriellen Chemie- oder Biologiereaktoren oder um Strömungsverhältnisse in Gewässern geht. Aber auch potenziell gesundheitsgefährdende Wirbelbildungen bei Herzklappen könnten auf diese Weise vermieden werden. mm

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