Delft viert eeuw stromingsleer

Het fijne van stromingsleer is dat het zich afspeelt op menselijke schaal. Water stroomt onder de brug, wolken schuiven door de lucht en als het regent word je nat.

Mensen zoals prof.dr. Jerry Westerweel, hoogleraar vloeistofmechanica, zien stromingsleer overal om zich heen: turbulentie, bloedsomloop, vervuiling of windturbines. Alles stroomt. Wie eens door de ogen van een stromingsexpert wil kijken, kan terecht bij FYFD (Fuck Yeah Fluid Dynamics) voor een niet-aflatende verwondering over vallende waterdruppels, viervoudige regenbogen, spontane lawines of vliegende vleermuizen.

Een eeuw geleden bedachten professoren C.B. Biezeno en C.P. Holst dat er bij de afdeling werktuigbouwkunde en maritieme techniek behoefte was aan een docent die de theoretische basis kon leggen voor een beter begrip van stromingen. De Leidse professor Paul Ehrenfest uit Leiden wees zijn oud-promovendus dr. J.M. (Jan) Burgers op de vacature. Burgers werkte toen onder leiding van de legendarische professor Henrik Lorentz aan de atoomtheorie, maar hij begon zich af te vragen of dit wel zijn lotsbestemming was.

Theorie en experiment hand in hand: kenmerkend voor Delftse stromingsleer

In oktober 1918 ging Burgers in Delft aan de slag, en twee jaar later werden een windtunnel en een sleeptank in gebruik genomen. Burgers vermeldt dat in zijn memoires die hij in 1975 in Maryland (VS) op schrift zette. Theorie en experiment werden onder zijn leiding hand in hand ontwikkeld, een benadering die tot op de huidige dag kenmerkend is voor de Delftse stromingsleer. Dat zal ongetwijfeld voorbij komen op het symposium op 18 oktober ter ere van honderd jaar stromingsleer in Delft. De toekomst zal daar ook aan bod komen. Jonge onderzoekers zullen er vooruit blikken.

Stromingslab. (Foto: Jos Wassink)

Meettechniek enorm veranderd

Maar eerst nog dat verleden vol mooie verhalen. Zou Jan Burgers het huidige laboratorium herkennen? Westerweel (1964) denkt van niet: “We hebben een kast met oude instrumenten, maar verder is alles totaal anders qua meettechniek. Een windtunnel blijft een windtunnel, het idee stamt uit de begintijd, maar de meettechniek is enorm veranderd.  Burgers deed metingen aan windsnelheid en turbulentie met een gloeidraadje. De afkoeling was een maat voor de snelheid ter plaatse. Uit de variatie van snelheid kon je de mate van turbulentie afleiden. Turbulentie was toen het belangrijkste onderwerp en dat is het eigenlijk nog. De briljante fysicus Richard Feynman zei in de jaren ’60 al dat turbulentie een van de onopgeloste problemen van de fysica was. Daar wilde zelfs hij zijn vingers niet aan branden.”

Zwemmen met haaien

Als belangrijkste vooruitgang in de afgelopen eeuw noemt Westerweel de meettechniek en de rekenkracht. “Burgers mat met zijn gloeidraad in één punt. We kunnen nu honderdduizend punten tegelijk meten. Het meetvolume is zo groot als portemonnee, maar we breiden dat uit naar grotere volumes. Recent hebben we onderzoek gedaan in het haaienaquarium van Diergaarde Blijdorp. We wilden zien of we duizend valse haringen in een school konden volgen terwijl ze aangevallen werden door een haai. Daarvoor hebben we de meettechniek aangepast van tien bij tien centimeter naar tien bij zes meter en 25 meter diep. Twee duikers zwommen rond met kalibratieplaat terwijl een derde duiker met een stok de haaien uit de buurt moest houden. We hebben toen vier gekoppelde camera’s opgesteld voor een  serie driedimensionale beelden die laat zien hoe een school van haringen uiteen wijkt en weer samenschoolt als er een haai doorheen schiet.”

Het zal de komende 100 jaar wellicht meer gaan om windturbines dan om dieselmotoren

Het berekenen van stromingen kwam in de jaren ’80 op gang toen de computers krachtig genoeg werden. Hoe turbulenter de stroming, hoe complexer de berekening. Het Reynoldsgetal, grofweg de verhouding tussen stroomsnelsnelheid en viscositeit, wordt gebruikt als maat voor turbulentie. De stelregel luidt dat bij een Reynoldsgetal 2.000 de stroming omslaat van laminair naar turbulent. Westerweel: “Vanaf het midden van de jaren ’80 werden computers voldoende krachtig voor berekening van stromingen. Dat gebeurt nu nog. En die simulaties gaan voor steeds hogere Reynoldsgetallen goed. Ten tijde van mijn promotie in 1993 was de stroming in een buis goed te simuleren tot Reynoldsgetal 5.000. Nu zit de simulatiegrens op 50.000 tot 100.000, en dan wordt het industrieel interessant. Daarmee komt Large Eddy Simulation, een wiskundig model om turbulente stromingen te berekenen, beschikbaar voor industriële problemen.” Hij pakt er een iPad bij en tikt op het scherm. Een stroming vloeit langs ronde obstakels waarbij zich wervels vormen in het kielzog. “Je ziet hoe wervels worden afgeschud”, zegt de stromingsprofessor. “Waar eind jaren ’80, begin jaren ’90 een supercomputer voor nodig was, draait dit nu gewoon op je telefoon.”

De komende honderd jaar

De huidige generatie stromingsonderzoekers weet zich gesteund door ultrasnelle 3D-meettechniek en krachtige computers om hun Navier-Stokes-vergelijkingen te berekenen. Om hen heen verandert de wereld en daarmee de toepassingen van hun vak. Het zal de komende honderd jaar wellicht meer gaan om windturbines, aardwarmte, warmtepompen en warmtewisselaars dan om raffinaderijen en dieselmotoren. Westerweel waagt zich niet aan voorspellingen. Dat laat hij over aan drie dertigers die met een frisse blik naar het honderd jaar oude vak kijken. Op het symposium Fluid Mechanics Centennial, georganiseerd in samenwerking met het J.M. Burgerscentrum, zullen dr. Daniel Tam (TU Delft), dr. Alvaro Marin (Universiteit Twente) en dr. Hanneke Gelderblom (TU Eindhoven) spreken over hun verwachtingen ten aanzien van de komende honderd jaar stromingsleer. (Lees hier het verslag)