Turbulente Gegenmaßnahme

News: Turbulente Gegenmaßnahme

Flugzeuge wühlen die Luft auf und erzeugen dabei Wirbel, die sie hinter sich herziehen. Solche Turbulenzen trugen im letzten November zum Absturz eines Flugzeugs über New York bei. Bald könnten solche Unfälle der Vergangenheit angehören, denn jetzt simulierten Wissenschaftler eine einfache Anordnung, die Aufwirbelungen verhindert.

Martin Wieser

Die so genannte Nachlaufturbulenz tritt auf, wenn sich Körper mit hoher Geschwindigkeit durch ein fluides Medium bewegen, und zwar ab einer medienspezifischen kritischen Geschwindigkeit. Sie ist eigentlich nicht weiter problematisch – wenn sie nicht die Flugbahn eines anderen Objekts kreuzt.

Als chaotische Systeme reagieren Wirbel sehr empfindlich auf kleine Veränderungen der Strömungsverhältnisse. Darin liegt auch gleichzeitig ein Ansatz, Turbulenzen entgegenzuwirken, wie Computersimulationen bestätigten. Allerdings müssten dazu die Eigenschaften des chaotischen Systems bestimmt werden – ein höchst unpraktikables Unterfangen.

Wissenschaftlern um Guo Wei Wei von der National University of Singapore gelang es nun zumindest auf theoretischer Ebene, die Nachlaufturbulenz zu unterbinden. Dabei ließen sie sich von folgender Überlegung leiten: Da Wirbel einer Rotation ähneln, sollten sie sich durch geeignete Gegenrotation neutralisieren lassen. Konsequenterweise dürfte dann auch keine Nachlaufturbulenz mehr auftreten. Daraufhin entwarfen die Forscher einen annähernd quadratischen Flugkörper mit zwei gegeneinander laufenden Rollen, die sich an zwei Kanten zum Inneren des Körpers drehen. Nun stellten sie exakt die komplette Navier-Stokes-Gleichung der Hydrodynamik auf und berechneten, welchen Effekt die Drehung der Räder auf die Nachlaufturbulenz hat.

Stehen die Rollen still, so entwickeln sich die typischen Turbulenzen. Mit zunehmender Drehzahl schwächen sich die Verwirbelungen jedoch ab. Schließlich verschwindet die Nachlaufturbulenz vollständig, wenn die Räder mit 150 Prozent der Geschwindigkeit des umgebenden Mediums rotieren. Dies liegt nach Einschätzung von Wei daran, dass die Räder durch ihre Drehung den Sog reduzieren und somit Turbulenzen vorbeugen.

"Die Idee hört sich fast zu einfach an, aber es funktioniert – das ist das Tolle", sagt sein Kollege Ying-Cheng Lai. Er hofft, dass praktische Experimente die Rechnung bestätigen. Das drängt sich angesichts des einfachen Mechanismus und der geringen Rotationsgeschwindigkeiten geradezu auf, und zukünftig scheint auch ein routinemäßiger Anbau an Flugzeuge nicht aus der Luft gegriffen.