Niets is zo veranderlijk als het weer, zo luidt een volkswijsheid. De onderzoekers van het Fluid Dynamics Lab van TU/e- faculteit Technische Natuurkunde zouden het wellicht iets breder trekken: niets is zo veranderlijk als turbulente vloeistofstromen. Niet alleen het weersysteem in onze atmosfeer valt hieronder, maar ook oceaanstromingen en talloze (meng)processen in de industrie. Toch willen we, net als Erwin Krol, graag voorspellingen kunnen doen over de ongrijpbare wervels en stromingen in vloeistoffen (ofwel ‘fluids’ in het Engels; een term waaronder zowel vloeistoffen als gassen vallen).

We weten sinds Copernicus en Galileo dat de aarde om zijn as draait. Deze rotatie heeft een sterke invloed op stromingen in de atmosfeer en in oceanen. De wiskundige vergelijkingen die turbulente stromingen in een roterend systeem beschrijven, lijken relatief eenvoudig. Toch zijn ze helaas onoplosbaar. Daarom zijn experimenten nodig om het begrip van deze stromingen te verdiepen. Hiervoor heeft het Fluid Dynamics Lab de beschikking over een roterende tafel, waarop een container met vloeistof en de noodzakelijke meetapparatuur kunnen worden geplaatst. Een beetje zoals een ambachtelijke pottenbakkerstafel, maar dan voorzien van hightech apparatuur.

Dr. Lorenzo Del Castello (33) kwam in 2005 vanuit Rome naar Eindhoven voor een promotieonderzoek naar roterende turbulentie onder de vleugels van prof.dr. Herman Clercx. De Italiaan bouwde voort op experimenten van zijn voorganger Laurens van Bokhoven, die met twee camera’s plastic microbolletjes bestudeerde in een roterende container gevuld met een zoutoplossing. Van Bokhoven deed zogeheten stereoscopische metingen, waarin hij de snelheden van de bolletjes mat in horizontale vlakken, gedefinieerd door belichting met een speciale laser. “Met die methode krijg je een beeld van de stroming op vaste punten, maar het is niet mogelijk om individuele deeltjes in de vloeistof te volgen. Terwijl we ook graag driedimensionale structuren in de stroming willen bestuderen”, vertelt Del Castello.

Del Castello ging daarom een stap verder: hij installeerde vier snelle camera’s (in staat om duizend beeldjes per seconde te maken) en besloot een rij ledjes te gebruiken om de microbolletjes te belichten. Het materiaal van de microbolletjes is zo gekozen dat de bolletjes exact dezelfde dichtheid hebben als de omringende vloeistof; zo fungeren ze als testdeeltjes die met de vloeistof meebewegen en zo de stroming zichtbaar maken voor de onderzoekers.

De roterende tank vulde Del Castello met zout water. Dat deed hij overigens niet met de expliciete bedoeling om zeewater na te bootsen: de keuze voor een (bijna verzadigde) zoutoplossing hangt samen met de manier waarop Del Castello turbulentie opwekte in de tank: elektromagnetisch. “Als je deeltjes wilt kunnen volgen, is het van het grootste belang om trillingen zoveel mogelijk te voorkomen. Turbulentie kun je opwekken door een rooster door de vloeistof te bewegen, of schoepen te installeren, maar dat levert altijd trillingen op. Wij hebben daarom gekozen voor een elektromagnetische aandrijving, dus zonder mechanisch bewegende onderdelen.”

De zoutionen in het water worden in beweging gebracht door de zogeheten Lorentzkracht, opgewekt met een combinatie van magneetvelden (via magneetjes op de bodem van de tank) en een elektrisch veld (opgewekt met elektrodes aan weerszijden van de tank). Deze bewegende ionen brengen ook het omliggende water in beweging, met de gewenste turbulentie als gevolg. Nadeel van deze trillingsvrije aandrijving is dat de turbulentie alleen nabij de bodem wordt opgewekt, en bovendien slechts in een milde vorm. Toch werkt het systeem goed genoeg om in een aanzienlijk deel van de container (50 cm in diameter en 25 cm hoog) een turbulente stroming te veroorzaken.

Uit de metingen, geanalyseerd met speciale, aan de ETH in Zürich ontwikkelde software, werd direct duidelijk hoe sterk de invloed is van rotatie op de vloeistofstroom. Waar de turbulente wervels in een stilstaande container in willekeurige richtingen georiënteerd zijn (er is immers geen voorkeursrichting in de homogene vloeistof), vormen zich zodra de draaitafel in beweging komt uit de wervels verticale kolommen. De doorsnede van de kolommen blijkt afhankelijk van hoe snel de container draait. Bij een rotatiesnelheid van zo’n vijftig toeren per minuut zijn de ‘wervelkolommen’ stabiel, maar bij lagere snelheden gaan de kolommen in horizontale richting ‘rondwandelen’. De gevolgde bolletjes blijken in de kolommen rond te wervelen op een nagenoeg constante hoogte boven de bodem van de container, waardoor weinig menging plaatsvindt in verticale richting.

De experimenten van Del Castello zijn wereldwijd de eerste waarin individuele deeltjes in roterende turbulentie zijn gevolgd en de promovendus heeft waardevolle statistische informatie over de stroming verzameld, vertelt zijn promotor Herman Clercx. In een volgende stap wil Clercx over de hele diepte van de container turbulentie kunnen opwekken. “Hiervoor denken we aan een nieuw aandrijfsysteem. En we willen het niveau van turbulentie nog verder opvoeren. Maar dat wil iedere onderzoeker die zich met turbulentie bezighoudt.” (TJ)


De testopstelling van Del Castello. Onder de vloer met magneetjes waarop de container met zout water geplaatst wordt. Rechts de ledlampjes die de microbolletjes belichten.