A gomolygó áramlást az áramlástani szakemberek turbulens áramlásnak nevezik. Az áramlásnak ez a formája sok energiát emészt fel, hiszen a főáram irányától eltérő áramlások jönnek létre. A lamináris áramlásban ezzel szemben csak az áramlás fő irányával egyvonalban elhelyezkedő folyadékrétegek egymáshoz viszonyított sebességkülönbsége okozta súrlódás felelős az energiaveszteségért. A turbulens áramlások létrehozásához nagyságrenddel több energia szükséges, mint lamináris áramláshoz. "Ezért bír nagy ipari jelentőséggel a turbulens áramlás célzott megnyugtatása." - állítja Björn Hof a Max-Planck Intézet munkatársa. Az Intézet munkatársai a Harvard Egyetemmel, egy közös kutatás során fejlesztette ki metódusát, mellyel alacsony sebességű áramlásoknál megszüntethetővé vált a turbulencia.

A kísérlet során egy 12 m hosszú, mindössze 3 cm átmérőjű üvegcsőben hoztak létre lamináris áramlást, melyben helyenként turbulenciát idéztek elő. A csőben áramló vízhez apró részecskéket kevertek, majd lézerrel megvilágítva követték ezek áramlását a vízben.

A kísérlet jól mutatta a két áramlás sebességeloszlása közti különbséget. Míg a lamináris áramlásoknál a falhoz közel alacsony, a cső közepénél nagy sebességek jöttek létre, addig a turbulens áramlásnál a falhoz közel is nagy sebességek voltak megfigyelhetőek. "Ahhoz, hogy a turbulens áramlást megakadályozzuk azt kellett vizsgálnunk, hogy a lamináris és a turbulens áramlás közötti határfelületen mi játszódik le." - árulta el Hof.

(a) lamináris, (b) turbulens áramlásra jellemző sebességprofil

A vizsgálathoz számítógépes szimulációt is bevetettek a kutatók: egy CFD számítás során a turbulens áramlás közepét lefékezték, a falhoz közelebb pedig felgyorsították, oly módon, hogy a térfogatáram állandó maradjon. Így az áramlás közepén egyszerűen nem volt annyi mozgási energia, amennyi gomolygó áramlás energiaigényét fedezni tudta volna.

Ennek az elvnek a gyakorlati megvalósítása meglehetősen paradoxnak hat: a kutatók olyan kontrollpontokat hoztak létre, ahol az áramlásban célzottan és meghatározott ritmusban turbulenciát keltettek. Megfelelő ütemben létrehozva a gomolygást, a létrejövő örvénylő áramlás az előző örvény turbulens határfelületét zavarta meg, oly módon, hogy tulajdonképpen minden örvény a sorban az előtte létrejövő örvény energiáját "rabolta" el, hogy létrejöhessen. A turbulencia miatt a cső közepi sebesség lecsökken, az előd örvény pedig megszűnik. És az előd mellett az áramlás során keletkező örvények is meg- semmisülnek, így a kontrollpont után az áramlás ismét teljesen laminárissá válik. Az üvegcsőben vizsgált jelenség mókásan úgy fogható fel, mintha egy regattaversenyen olyan sűrűn haladnának át egy kontrollponton a vitorlások egymás mögött, hogy az utolsó mindig kifogná az előtte álló hajó vitorlájából a szelet. Így a kontrollpont után egy hajó sem haladna a vízen.

Mivel a csőben csak a kontrollponton kellett beavatkozni az áramlásba, mindössze az energia egyötöd részéből fenntarthatóvá vált az áramlás. A göttingeni szakemberek bemutatták azt is, hogy az áramlások előbb-utóbb külső beavatkozás nélkül is "megnyugszanak", ugyanis a lamináris áramlás a turbulensénél stabilabb állapot. Persze a legtöbb ipari alkalmazásban ez nem jelent vigaszt a turbulencia elleni harcban. Viszont mivel a stabil állapot a lamináris áramlás, sok esetben elég egy kis beavatkozás, hogy az áramlás laminárissá váljon. A jövőben azt kutatják majd, hogyan lehet kiterjedtebb turbulenciákat megszüntetni.

Áramlástan

Mérnökbázis - ahol a mérnökök találkoznak