Een bekend voorbeeld van turbulentie is de rook van een brandende sigaret of schoorsteen op enige afstand: de willekeurig wervelende bewegingen breken steeds verder op totdat ze uiteindelijk in warmte worden omgezet. Een ander voorbeeld is de turbulentie die wordt opwekt door met een roerstaafje in een kop koffie te roeren. Turbulentie zorgt ervoor dat suiker en melk snel met de koffie vermengen. Van Bokhoven verduidelijkt: “Turbulentie wordt dus gekarakteriseerd door willekeurig gedrag, een hoge mate van menging, wervels in allerlei soorten en maten, en kan alleen voortbestaan indien zij voortdurend van energie wordt voorzien.”
Het onderwerp van het promotieonderzoek van Van Bokhoven is roterende turbulentie. “Dit betekent dat je de turbulentie onderwerpt aan achtergrondrotatie. Het kopje koffie waarover ik sprak, zet je dan als het ware op een draaischijf van pottenbakkers. Een praktisch voorbeeld waarbij turbulentie wordt beïnvloed door rotatie is de gasturbine. Toepassingen van roterende turbulentie vind je ook binnen de astrofysica en geofysica. Zo worden de turbulente stromingen in de aardse atmosfeer en oceanen voortdurend door de rotatie van de aarde beïnvloed. Mijn onderzoeksvraag was: hoe beïnvloedt achtergrondrotatie turbulentie? Ik zal de uitkomst vast verklappen: hét antwoord weet ik na vier jaar onderzoek nog steeds niet, maar we hebben een uniek experiment opgezet en daarmee een aantal opmerkelijke waarnemingen gedaan en enkele fundamentele eigenschappen van roterende turbulentie experimenteel bevestigd”, aldus Van Bokhoven.
Van Bokhoven beschrijft het experiment dat hij deed tijdens zijn onderzoek: “Op de eerste plaats moest ik in een bak met vloeistof turbulentie opwekken. De gebruikelijke manier om dat te doen, is door een rooster door de vloeistof te bewegen. Dat wilden we niet. We wilden de turbulentie zonder enig direct mechanisch contact genereren. Dat kan door middel van elektromagnetische krachten. Allereerst hebben we vierkante magneetjes onder de bodemplaat van de bak geplaatst. Ik legde ze qua polariteit in een dambordpatroon, en draaide de magneetjes ten opzichte van elkaar zodat er geen symmetrisch patroon in is te herkennen. Ik wilde een zo complex mogelijk magneetveld hebben. Vervolgens moesten we een stroom opwekken in ongeveer honderd liter zoutoplossing. Dat deden we door twee elektrodes in de vloeistof te dompelen en daarover een spanningsverschil aan te brengen. De stroom gaat dan door de hele vloeistof lopen, de negatieve ionen de ene, de positieve ionen de andere kant op. Op deze manier genereren we elektromagnetische krachten die turbulentie kunnen produceren. De turbulentie ontstaat in de onderste laag van de vloeistof omdat het magneetveld van de permanente magneetjes over een zeer korte afstand afvalt. De bak met turbulentie is vervolgens op een unieke roterende tafel geplaatst om de achtergrondrotatie aan te brengen.”
Om te zien wat er in de bak gebeurde, gebruikte Van Bokhoven de meettechniek Stereoscopic Particle Image Velocimetry. Kleine reflecterende deeltjes werden aan de kleurloze zoutoplossing toegevoegd en belicht door middel van een horizontaal lichtvlak van tien bij twaalf centimeter en een millimeter dik. Omdat de deeltjes klein zijn, neemt door de vloeistof ze mee en daardoor wordt de beweging van de vloeistof waarneembaar. “Om de bewegingen in de richting loodrecht op het lichtvlak te kunnen meten, heb ik gebruikgemaakt van een tweetal digitale camera’s in zogenoemde Scheimpflugopstelling. De beeldopnames, die net iets verschillen per camera, tonen hoe de deeltjes zich verplaatsen. De beeldopnames worden na een experiment met software verwerkt om de driedimensionale snelheden van de vloeistof in het lichtvlak af te schatten.”
“Wanneer turbulentie wordt onderworpen aan rotatie neemt de ruimtelijke snelheidscorrelatie toe. Dat wisten we”, zegt de onderzoeker. “Ik had verwacht dat wanneer je de snelheid van de rotatie verder opvoert, de correlatie ook verder toeneemt. Dit blijkt dus niet het geval te zijn, wat overigens in simulaties al was aangetoond. De correlatie neemt juist af naarmate de achtergrondsnelheid wordt opgevoerd, en dat is een van de zaken die ik met mijn experiment voor het eerst heb gekwantificeerd.” Van Bokhoven is niet op zoek gegaan naar een omslagpunt, het moment waarop de correlatie na een toename overgaat in afname. “Ik heb vastgesteld wat de correlatie is zonder rotatie, bij lage rotatie en bij sterke rotatie. Maar het is zeker een interessante vraag voor een eventueel vervolgonderzoek.”/.

Van Bokhoven verdedigde zijn proefschrift op dinsdag 27 november. Op dit moment werkt Van Bokhoven op de onderzoeksafdeling van ASML.

Een sterk licht wordt door de roterende bak met turbulentie gestuurd. De bewegingen van reflecterende deeltjes worden door twee camera’s vastgelegd.