Stel, je wilt berekenen hoe blauwalg zich in het water verspreidt, zodat je weet of de kwaliteit van het zwemwater goed genoeg is. Of je wilt voorspellen hoe vulkaanas zich door de lucht beweegt en waar het terechtkomt. Of je wilt weten hoe giftige deeltjes zich in zee verspreiden. Ook voor de industrie is het van belang te weten hoe snel en in welke richting deeltjes zich bewegen. Denk aan een gifwolk die vrijkomt en aan fijnstof. Momenteel moet je heel complexe berekeningen uitvoeren om antwoord op deze vragen te krijgen. Zelfs met een goede computer duurt dit jaren.

Van Aartrijk heeft zich vier jaar op berekeningen gestort om te kijken hoe zware en lichte deeltjes zich gedragen in vloeistofstromingen. Daarbij onderzocht ze met welke krachten je wel en geen rekening moet houden bij je berekeningen. In het bijzonder keek ze naar twee soorten stromingen; isotrope turbulentie en stabiel gestratificeerde turbulentie. Het eerste type gedraagt zich hetzelfde in alle richtingen. Van Aartrijk: “Vergelijk het met een stroming die ontstaat als je heftig in een badkuip roert.” Bij een stabiel gestratificeerde stroming heb je een zogenaamde dichtheidsgradiënt. Dit wil zeggen dat je een gelaagde structuur hebt. Lichtere vloeistof zit dan gewoonlijk boven zwaardere vloeistof.

De onderzoekster keek onder meer hoe vloeistofdeeltjes zich in zo’n gestratificeerde stroming bewegen. Beweegt zo’n deeltje zich verticaal, dan komt het in een omgeving met een andere dichtheid. De kracht die vervolgens op het deeltje werkt, zorgt ervoor dat het weer op de ‘beginhoogte’ komt. Van Aartrijk heeft nu aangetoond dat het deeltje na lange tijd een nieuwe zogenaamde ‘evenwichtshoogte’ bereikt. Dit komt doordat de vloeistofdeeltjes voortdurend vloeistof uitwisselen met omringende deeltjes en ze hierdoor een nieuwe dichtheid krijgen.

De natuurkundige beschrijft in haar proefschrift hoe de zwaardere deeltjes naar buiten worden geslingerd. Die deeltjes verdelen zich vervolgens niet gelijkmatig over de vloeistof. Er treden clusters op. In de wervelkern is de kans juist klein dat je een deeltje vindt. Van Aartrijk: “Vergelijk het met roeren in je thee. Dit doe je om de suiker goed te mengen in de thee. Kennelijk verspreidt het zich in een turbulente stroming toch niet netjes uniform. Alhoewel suiker misschien een minder goed voorbeeld is, omdat het oplost.” Deze zogenaamde preferentiële concentratie blijkt bij zowel isotrope als gestratificeerde turbulentie voor te komen.

Grenslaag
Uit de onderzoeksresultaten blijkt verder dat de zware deeltjes zich sterker dan de lichtere deeltjes op bepaalde plekken concentreren. En hoe groter de dichtheidsgradiënt is, hoe minder sterk die preferentiële concentratie juist is.

De natuurkundige bestudeerde verschillende typen krachten, waaronder wrijvingskrachten, de zwaartekracht en de zogenaamde Basset-kracht. Deze kracht beschrijft het ontstaan van een grenslaag in de stroming rond een deeltje. “Je kunt je voorstellen dat de lucht vlakbij een vliegtuig dezelfde snelheid heeft als het vliegtuig zelf en daar ver vandaan een heel andere snelheid. In de grenslaag zit de overgang van het ene naar het andere snelheidsveld. Tot nu toe werd deze kracht op individuele deeltjes niet in berekeningen opgenomen, terwijl dat wel zou moeten.”

De onderzoekster voerde haar berekeningen uit op supercomputers bij SARA in Amsterdam. Ze voerde daar deeltjes in met bepaalde kenmerken en volgde hun bewegingen. Het onderzoek maakt deel uit van een project van technologiestichting STW, waarbij vanuit verschillende invalshoeken naar de verspreiding van deeltjes wordt gekeken. Een andere promovendus kijkt bijvoorbeeld naar de interactie tussen deeltjes. “STW werkt met gebruikerscommissies, waar in dit geval verschillende beroepsgroepen bij elkaar gebracht zijn. Als natuurkundigen hebben wij bijvoorbeeld vooral verstand van stromingen. Een bioloog weet meer over de snelheid waarmee algen groeien.”/.