Dezember 2023 | Was passiert, wenn man eine Sektflasche entkorkt? Erstaunliche Phänomene entstehen: Eine Überschall-Stoßwelle bildet sich aus und der Gasstrom kann mehr als die eineinhalbfache Schallgeschwindigkeit erreichen.
Drei Wissenschaftler der TU Wien haben nun erstmals genau berechnen können, was dabei passiert. Die Ergebnisse sind auch für andere Anwendungen wichtig, bei denen es um Gasströmungen um ballistische Flugkörper bzw. Projektile oder Raketen geht.
Stefan Braun, Lukas Wagner, Bernhard Scheichl (v.l.n.r.)
Es klingt wie ein einfaches, bekanntes Alltagsphänomen: In einer Sektflasche herrscht hoher Druck, der Korken wird durch das komprimierte Gas in der Flasche nach außen gedrückt und fliegt mit einem kräftigen Knall davon. Doch die Physik dahinter ist kompliziert. Der Knall beim Öffnen der Flasche ist eine Kombination aus verschiedenen Effekten: Der Korken dehnt sich abrupt aus, wodurch eine Druckwelle entsteht, und man hört die Stoßwelle, erzeugt durch den überschallschnellen Gasstrahl.
Experimente mit Hochgeschwindigkeitskameras wurden bereits durchgeführt, aber es fehlte eine mathematisch-numerische Analyse. Diese Lücke wurde nun an der TU Wien geschlossen. Mit Hilfe komplexer Computersimulationen gelang es, das Verhalten des Stopfens und der Gasströmung neu zu berechnen.
„Der Sektkorken selbst fliegt mit einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit davon, er erreicht vielleicht 20 Meter pro Sekunde“, sagt Lukas Wagner, der Erstautor der Studie, der als Doktorand an der TU Wien sowie auch am AC2T forscht. „Das Gas, das dabei aus der Flasche herausströmt, ist aber viel schneller“, sagt Wagner. „Es überholt den Korken, strömt an ihm vorbei und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 400 Metern pro Sekunde.“
Diese Geschwindigkeit übersteigt die Schallgeschwindigkeit.
Der Kork hat die Flasche verlassen, eine Stoßwelle bildet sich
Der Gasstrahl durchbricht kurz nach dem Öffnen der Flasche die Schallmauer, begleitet von einer Schockwelle. Wenn eine Schockwelle auftritt, kommt es zu Unstetigkeiten bei Variablen wie Druck und Geschwindigkeit, die als “Mach-Scheibe” bekannt sind. Dieses Phänomen wird auch bei Überschallflugzeugen oder Raketen beobachtet.
Wenn Gas expandiert, ändert sich die Temperatur schlagartig. Bei der Sektflasche ist dieser Effekt sehr stark ausgeprägt: Punktuell kann das Gas auf bis zu -130° C abkühlen. Aus dem CO2, das den Sekt perlen lässt, können sogar winzige Trockeneis-Kristalle entstehen.
„Dass es beim Ploppen einer Sektflasche tatsächlich zu Überschallphänomenen kommt, war zunächst alles andere als klar, das würde man nicht unbedingt erwarten“, sagt Bernhard Scheichl, der Dissertationsbetreuer von Lukas Wagner. „Aber unsere Simulationen zeigen, dass sich das auf ganz natürliche Weise aus den Gleichungen der Strömungsmechanik ergibt, und unsere Ergebnisse stimmen mit den Experimenten sehr gut überein.“
Originalpublikation:
Lukas Wagner, Stefan Braun, Bernhard Scheichl (2023). Simulating the opening of a champagne bottle. Akzeptiert in: Flow (2023), 3 E40, doi:10.1017/flo.2023.34
Frei zugängliche Version: https://arxiv.org/abs/2312.12271