Mysterieuze turbulentiedimmers

Noorwegen voorziet Europa voor een groot deel in haar aardgashonger. Om die bevoorrechtte positie niet te verliezen en te kunnen blijven concurreren met gasleverancier Rusland, heeft het land vorig jaar een extra gasleiding naar Groot-Brittannië aangelegd. Op dit moment overweegt het Noorse energiebedrijf Statoil om de export uit te breiden via een nieuwe aanvoerleiding naar Nederland.

Maar extra pijplijnen zijn misschien niet de enige manier waarop het land de export in de toekomst zal uitbreiden. In het laboratorium voor stromingsleer van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen (3mE) experimenteert Gillissen met een nieuwe methode om het gas makkelijker naar Europa te krijgen. Hij stopt turbulentie dempende nylonvezeltjes in een pijpleiding.

Noorwegen kan via de bestaande leidingen de gasleverantie niet verder opvoeren omdat de stromingsweerstand in de buizen te groot is. Maar als de Delftse techniek werkt, neemt de capaciteit van de buizen toe.
Mysteries

De promovendus maakt gebruik van het zogenaamde Toms-effect, een opmerkelijk natuurwetenschappelijk fenomeen, vernoemd naar de onderzoeker die er als eerste over publiceerde. Sinds de ontdekking ervan tijdens de Tweede Wereldoorlog is het verschijnsel in mysteries gehuld. Het Amerikaanse leger ontdekte dat vlammenwerpers een veel groter bereik hadden als er polymeren in de brandstof zaten.

De deeltjes, die onder andere veel gebruikt worden in de rubber- en kunststofindustrie, bleken de turbulentie in vloeistoffen met wel tachtig procent te reduceren. Menig bedrijf maakt tegenwoordig dankbaar gebruik van het Toms-effect, van rioolwaterzuiveraars tot oliereuzen.

Een paar Noorse energiebedrijven benaderden vier jaar geleden de onderzoeksgroep van wijlen stromingsleerhoogleraar prof.dr.ir. Frans Nieuwstadt. Al jaren probeerden Nieuwstadts onderzoekers het Toms-effect te doorgronden. Volgens een van hen, dr.ir. Piotr Ptasinski, werken de polymeren als een soort schokbrekers die de wervelingen in snelstromende vloeistoffen dimmen. De Noren vroegen zich af of de techniek ook toepasbaar was voor gasstromen.

Aan Gillissen de taak om dit uit te zoeken. Maar dan met nylon vezels in plaats van polymeren, want deze eersten mengen beter met het gas dan de polymeren. Drie jaar lang simuleerde de promovendus de stromingen op de computer. Op zijn beeldscherm wervelt de gasstroom met nylondeeltjes nu twee maal minder heftig dan die zonder de deeltjes.

Maar er zitten nog haken en ogen aan de techniek. Gillissen: “De nylondeeltjes zijn in het computermodel vele malen kleiner dan de wervelingen. We verwachten dat het Toms-effect dan optimaal werkt. Het is maar de vraag of de bestaande grotere deeltjes, van een millimeter lang en twintig micrometer dik, turbulentie even sterk afremmen.”

Sinds enkele weken bekijkt de onderzoeker samen met een student hoe de deeltjes in het echt uitpakken. Althans echt: door zijn proefstelling stroomt geen gas maar water.

“Het is makkelijker om met water te experimenteren en vervolgens een vertaalslag te maken naar de situatie voor gas”, licht Gillissen toe. “Voor een experiment met gas hadden we een gesloten systeem moeten maken en het nylon met een injectiesysteem naar binnen moeten spuiten.”

Gillissen heeft nu al . na enkele weken experimenteren – het donkerbruine vermoeden dat de resultaten in het niet vallen vergeleken met de simulaties. “Je kunt niet zo veel van de nylondeeltjes toevoegen”, zegt hij wijzend naar een restje smurrie aan het begin van de buis. “Het water verandert al snel in een dikke drab.”

“Het zou mooi zijn als we een weerstandsvermindering van vijf procent konden bereiken voor de uiteindelijke industriële toepassing”, zegt de onderzoeker. “En dat is ook reëel. Alleen heeft het energiebedrijf dan nog het probleem dat het de deeltjes in de pijplijn moet zien te persen en ze er aan de andere kant weer moet uithalen. Het is al met al een project met een hoog faalrisico.”

Maar cynisch is de onderzoeker allerminst. “Waar het mij om gaat is het mysterie van turbulentie te ontrafelen. Ik hoop ooit wakker te worden en te begrijpen wat die wervelingen precies werken en hoe ze beïnvloed worden door vezels en polymeren.”

Noorwegen voorziet Europa voor een groot deel in haar aardgashonger. Om die bevoorrechtte positie niet te verliezen en te kunnen blijven concurreren met gasleverancier Rusland, heeft het land vorig jaar een extra gasleiding naar Groot-Brittannië aangelegd. Op dit moment overweegt het Noorse energiebedrijf Statoil om de export uit te breiden via een nieuwe aanvoerleiding naar Nederland.

Maar extra pijplijnen zijn misschien niet de enige manier waarop het land de export in de toekomst zal uitbreiden. In het laboratorium voor stromingsleer van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen (3mE) experimenteert Gillissen met een nieuwe methode om het gas makkelijker naar Europa te krijgen. Hij stopt turbulentie dempende nylonvezeltjes in een pijpleiding.

Noorwegen kan via de bestaande leidingen de gasleverantie niet verder opvoeren omdat de stromingsweerstand in de buizen te groot is. Maar als de Delftse techniek werkt, neemt de capaciteit van de buizen toe.
Mysteries

De promovendus maakt gebruik van het zogenaamde Toms-effect, een opmerkelijk natuurwetenschappelijk fenomeen, vernoemd naar de onderzoeker die er als eerste over publiceerde. Sinds de ontdekking ervan tijdens de Tweede Wereldoorlog is het verschijnsel in mysteries gehuld. Het Amerikaanse leger ontdekte dat vlammenwerpers een veel groter bereik hadden als er polymeren in de brandstof zaten.

De deeltjes, die onder andere veel gebruikt worden in de rubber- en kunststofindustrie, bleken de turbulentie in vloeistoffen met wel tachtig procent te reduceren. Menig bedrijf maakt tegenwoordig dankbaar gebruik van het Toms-effect, van rioolwaterzuiveraars tot oliereuzen.

Een paar Noorse energiebedrijven benaderden vier jaar geleden de onderzoeksgroep van wijlen stromingsleerhoogleraar prof.dr.ir. Frans Nieuwstadt. Al jaren probeerden Nieuwstadts onderzoekers het Toms-effect te doorgronden. Volgens een van hen, dr.ir. Piotr Ptasinski, werken de polymeren als een soort schokbrekers die de wervelingen in snelstromende vloeistoffen dimmen. De Noren vroegen zich af of de techniek ook toepasbaar was voor gasstromen.

Aan Gillissen de taak om dit uit te zoeken. Maar dan met nylon vezels in plaats van polymeren, want deze eersten mengen beter met het gas dan de polymeren. Drie jaar lang simuleerde de promovendus de stromingen op de computer. Op zijn beeldscherm wervelt de gasstroom met nylondeeltjes nu twee maal minder heftig dan die zonder de deeltjes.

Maar er zitten nog haken en ogen aan de techniek. Gillissen: “De nylondeeltjes zijn in het computermodel vele malen kleiner dan de wervelingen. We verwachten dat het Toms-effect dan optimaal werkt. Het is maar de vraag of de bestaande grotere deeltjes, van een millimeter lang en twintig micrometer dik, turbulentie even sterk afremmen.”

Sinds enkele weken bekijkt de onderzoeker samen met een student hoe de deeltjes in het echt uitpakken. Althans echt: door zijn proefstelling stroomt geen gas maar water.

“Het is makkelijker om met water te experimenteren en vervolgens een vertaalslag te maken naar de situatie voor gas”, licht Gillissen toe. “Voor een experiment met gas hadden we een gesloten systeem moeten maken en het nylon met een injectiesysteem naar binnen moeten spuiten.”

Gillissen heeft nu al . na enkele weken experimenteren – het donkerbruine vermoeden dat de resultaten in het niet vallen vergeleken met de simulaties. “Je kunt niet zo veel van de nylondeeltjes toevoegen”, zegt hij wijzend naar een restje smurrie aan het begin van de buis. “Het water verandert al snel in een dikke drab.”

“Het zou mooi zijn als we een weerstandsvermindering van vijf procent konden bereiken voor de uiteindelijke industriële toepassing”, zegt de onderzoeker. “En dat is ook reëel. Alleen heeft het energiebedrijf dan nog het probleem dat het de deeltjes in de pijplijn moet zien te persen en ze er aan de andere kant weer moet uithalen. Het is al met al een project met een hoog faalrisico.”

Maar cynisch is de onderzoeker allerminst. “Waar het mij om gaat is het mysterie van turbulentie te ontrafelen. Ik hoop ooit wakker te worden en te begrijpen wat die wervelingen precies werken en hoe ze beïnvloed worden door vezels en polymeren.”