La turbulencia es un fenómeno omnipresente y uno de los grandes misterios de la física. Un equipo de investigación de Oldenburg ha logrado generar turbulencias de tormenta realistas en el túnel de viento del Centro de Investigación de Energía Eólica (ForWind).
Las fuertes tormentas a menudo parecen dejar una destrucción aleatoria: si bien las tejas del techo de una casa se vuelan, la propiedad vecina puede no sufrir ningún daño. Las causas de estas diferencias son las ráfagas de viento o, como dicen los físicos, las turbulencias locales. Es el resultado de flujos atmosféricos a gran escala, pero hasta ahora, es imposible predecirlo con gran detalle.
Expertos de la Universidad de Oldenburg y la Université de Lyon han allanado el camino para estudiar las turbulencias a pequeña escala: el equipo dirigido por el físico de Oldenburg, Prof. El Dr. Joachim Peinke logró generar flujos turbulentos en un túnel de viento. Los flujos se parecían a los que ocurren en grandes vendavales. El equipo ha encontrado una forma de cortar literalmente un trozo de una tormenta, informan los investigadores en la revista Physical Review Letters. “Nuestro descubrimiento experimental convierte a nuestro túnel de viento en un modelo para una nueva generación de tales instalaciones en las que, por ejemplo, los efectos de la turbulencia en las turbinas eólicas se pueden investigar de manera realista”, dice Peinke.
El parámetro más importante que caracteriza la turbulencia de un flujo es el llamado número de Reynolds: esta cantidad física describe la relación entre la energía cinética y las fuerzas de fricción en un medio. En términos simples, puede decir: cuanto mayor sea el número de Reynolds, más turbulento será el flujo. Uno de los mayores misterios de la turbulencia son sus estadísticas: los eventos extremos, como ráfagas de viento fuertes y repentinas, ocurren con más frecuencia si se observan escalas más pequeñas.
Ecuaciones no resueltas
“Los remolinos turbulentos de un flujo se vuelven más severos a escalas más pequeñas”, explica Peinke, quien dirige el grupo de investigación Turbulencia, Energía Eólica y Estocástica. En una tormenta fuerte, es decir, cuando el número de Reynolds es alto, una mosca se ve afectada por condiciones de flujo mucho más ráfagas que, por ejemplo, un avión. Las razones específicas de esto no son bien conocidas: las ecuaciones físicas que describen los fluidos aún no están resueltas cuando se trata de turbulencias. Esta tarea es uno de los famosos problemas matemáticos del milenio, para cuya solución el Clay Mathematics Institute de Estados Unidos ha aportado un millón de dólares cada uno.
En el gran túnel de viento del Centro de Investigación de Energía Eólica (ForWind), el equipo de Oldenburg ha logrado generar condiciones de viento más turbulentas que nunca. En comparación con experimentos anteriores, los investigadores aumentaron el número de Reynolds cien veces y, por lo tanto, simularon condiciones similares a las que se encuentran en una tormenta real. “Todavía no vemos un límite superior”, dice Peinke. “La turbulencia generada ya está muy cerca de la realidad”.
Experimentos en el túnel de viento
El túnel de viento de Oldenburg tiene una sección de prueba de 30 metros de largo. Cuatro ventiladores pueden generar velocidades de viento de hasta 150 kilómetros por hora, lo que corresponde a un huracán de categoría 1. Para crear un flujo de aire turbulento, los investigadores utilizan la denominada red activa, que se desarrolló para los requisitos especiales del gran túnel de viento de Oldenburg. La estructura, de tres por tres metros de tamaño, está ubicada al comienzo del túnel de viento y consta de casi mil pequeñas alas de aluminio en forma de diamante. Las placas de metal son móviles. Se pueden girar en dos direcciones mediante 80 ejes horizontales y verticales. Esto permite a los investigadores del viento bloquear y reabrir selectivamente pequeñas áreas de la boquilla del túnel de viento durante un breve período de tiempo, lo que hace que el aire se arremolina. «Con la red activa, la más grande de su tipo en el mundo, podemos generar muchos campos de viento turbulentos diferentes en el túnel de viento», explica Lars Neuhaus, quien también es miembro del equipo y desempeñó un papel clave en este estudio.
Para los experimentos, el equipo varió el movimiento de la red de una manera caótica similar a las condiciones que ocurren en el flujo de aire turbulento. También cambiaron el poder de los aficionados de forma irregular. Así, además de las turbulencias a pequeña escala, el flujo de aire generó un mayor movimiento en la dirección longitudinal del túnel de viento. “Nuestro principal hallazgo es que el flujo del túnel de viento combina estos dos componentes en una turbulencia de tormenta perfecta y realista”, explica el coautor, el Dr. Michael Hölling. El físico también preside el Comité internacional de pruebas de túneles de viento de la Academia Europea de Energía Eólica (EAWE). Esta turbulencia de tormenta emergió de 10 a 20 metros detrás de la red activa.
Remolinos a pequeña escala
“Al ajustar la rejilla y los ventiladores del túnel de viento, hemos generado una turbulencia a gran escala de unos diez a cien metros de tamaño. Al mismo tiempo, una turbulencia a pequeña escala con dimensiones de unos pocos metros y menos apareció de forma espontánea. Sin embargo, todavía no sabemos exactamente por qué ”, explica Hölling. Como informan él y sus colegas, este nuevo enfoque permite reducir la turbulencia atmosférica relevante para turbinas eólicas, aviones o casas a un tamaño de un metro en el túnel de viento. Esto permitirá a los investigadores realizar experimentos realistas con modelos miniaturizados en el futuro, en los que las ráfagas extremas ocurren con la misma frecuencia que en las tormentas reales.
Referencia: «Generación de turbulencias atmosféricas con un número de Reynolds sin precedentes en un túnel de viento» por Lars Neuhaus, Michael Hölling, Wouter J. T. Bos y Joachim Peinke, 9 de octubre de 2020, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.154503
Financiamiento: Ministerio Federal de Economía y Energía de Alemania, Ministerio de Ciencia y Cultura de Baja Sajonia, Fundación Alemana de Investigación.