La turbolenza è un fenomeno onnipresente e uno dei grandi misteri della fisica. Un team di ricerca dell'Università di Oldenburg in Germania è ora riuscito a generare una turbolenza realistica nella galleria del vento del Centro per la ricerca sull'energia eolica (ForWind).

Spesso i forti temporali sembrano lasciare dietro di sé distruzioni casuali:mentre le tegole del tetto di una casa vengono spazzate via, la proprietà vicina non può essere danneggiata affatto. Ciò che causa queste differenze sono le raffiche di vento o, come dicono i fisici, turbolenza locale. Deriva da flussi atmosferici su larga scala, ma fino ad ora, è impossibile prevederlo nei minimi dettagli.

Gli esperti dell'Università di Oldenburg e dell'Université de Lyon hanno ora aperto la strada allo studio della turbolenza su piccola scala:il team guidato dal fisico di Oldenburg, il prof. Dr. Joachim Peinke è riuscito a generare flussi turbolenti in una galleria del vento. I flussi assomigliavano a quelli che si verificano nelle grandi tempeste. Il team ha trovato un modo per tagliare letteralmente una fetta da una tempesta, i ricercatori riferiscono sulla rivista Lettere di revisione fisica . "La nostra scoperta sperimentale rende la nostra galleria del vento un modello per una nuova generazione di tali strutture in cui, Per esempio, gli effetti della turbolenza sulle turbine eoliche possono essere studiati realisticamente, "dice Peinke.

Il parametro più importante che caratterizza la turbolenza di un flusso è il cosiddetto numero di Reynolds:questa grandezza fisica descrive il rapporto tra energia cinetica e forze di attrito in un mezzo. In parole povere, puoi dire:maggiore è il numero di Reynolds, quanto più turbolento è il flusso. Uno dei più grandi misteri della turbolenza sono le sue statistiche:eventi estremi come forti, raffiche di vento improvvise si verificano più frequentemente se si osservano scale più piccole.

Equazioni non risolte

"I vortici turbolenti di un flusso diventano più severi su scale più piccole, " spiega Peinke, che dirige il gruppo di ricerca Turbolenza, Energia eolica e stocastico. In una forte tempesta, cioè quando il numero di Reynolds è alto, una mosca è quindi influenzata da condizioni di flusso molto più ventose di, dire, un aeroplano. Le ragioni specifiche di ciò non sono ben note:le equazioni fisiche che descrivono i fluidi non sono ancora risolte quando si tratta di turbolenza. Questo compito è uno dei famosi problemi del millennio della matematica, sulla cui soluzione il Clay Mathematics Institute negli Stati Uniti ha stanziato un milione di dollari ciascuno.

Nella grande galleria del vento del Center for Wind Energy Research (ForWind), il team di Oldenburg è ora riuscito a generare condizioni di vento più turbolente che mai. Rispetto agli esperimenti precedenti, i ricercatori hanno aumentato il numero di Reynolds cento volte e quindi hanno simulato condizioni simili a quelle incontrate in una vera tempesta. "Non vediamo ancora un limite superiore, " dice Peinke. "La turbolenza generata è già molto vicina alla realtà".

Esperimenti in galleria del vento

La galleria del vento di Oldenburg ha una sezione di prova lunga 30 metri. Quattro ventole possono generare velocità del vento fino a 150 chilometri all'ora, che corrisponde a un uragano di categoria 1. Per creare un flusso d'aria turbolento, i ricercatori utilizzano una cosiddetta griglia attiva, che è stato sviluppato per i requisiti speciali nella grande galleria del vento di Oldenburg. La struttura, di tre metri per tre, si trova all'inizio della galleria del vento ed è composto da quasi un migliaio di piccoli, ali in alluminio a forma di diamante. Le piastre metalliche sono mobili. Possono essere ruotati in due direzioni tramite 80 alberi orizzontali e verticali. Ciò consente ai ricercatori del vento di bloccare e riaprire selettivamente piccole aree dell'ugello della galleria del vento per un breve periodo, facendo vorticare l'aria. "Con la rete attiva, la più grande del suo genere al mondo, possiamo generare molti diversi campi di vento turbolento nella galleria del vento, " spiega Lars Neuhaus, che è anche un membro del team e ha svolto un ruolo chiave in questo studio.

Per gli esperimenti, il team ha variato il movimento della griglia in modo caotico simile alle condizioni che si verificano nel flusso d'aria turbolento. Hanno anche cambiato la potenza dei fan in modo irregolare. Così, oltre a piccole turbolenze, il flusso d'aria ha generato un movimento maggiore nella direzione longitudinale della galleria del vento. "La nostra scoperta principale è che il flusso della galleria del vento combina queste due componenti in modo perfetto, turbolenza realistica della tempesta, " spiega il co-autore Dr. Michael Hölling. Il fisico presiede anche il Comitato internazionale per i test sulla galleria del vento dell'Accademia europea dell'energia eolica (EAWE). Questa turbolenza da tempesta è emersa da 10 a 20 metri dietro la rete attiva.

Turbinii su piccola scala

"Regolando la griglia e le ventole della galleria del vento, abbiamo generato una turbolenza su larga scala di circa dieci-cento metri. Allo stesso tempo, spontaneamente è apparsa una turbolenza su piccola scala con dimensioni di pochi metri e meno. Però, non sappiamo ancora esattamente perché, " Spiega Hölling. Come riportano lui e i suoi colleghi, questo nuovo approccio consente di ridurre la turbolenza atmosferica relativa alle turbine eoliche, aerei o case della dimensione di un metro nella galleria del vento. Ciò consentirà ai ricercatori di condurre in futuro esperimenti realistici con modelli miniaturizzati, in cui si verificano raffiche estreme con la stessa frequenza delle tempeste reali.