TU’ers filmen knabbelende wervels

De stromingsleer is een opmerkelijke vakterm rijker: ‘knabbelen’. Laat een wervelende rookpluim of een turbulente vloeistof los in een niet-turbulent medium, en de wervelingen ‘knabbelen’ aan hun omgeving. Resultaat: een rookpluim die steeds breder wordt, een wolk die groeit of een turbulente stroming die wijder wordt.

Een Delfts onderzoeksteam onder leiding van prof.dr.ir. Jerry Westerweel wist de details van het verschijnsel voor het eerst experimenteel vast te leggen. De onderzoekers injecteerden gekleurde, turbulente vloeistof in een bakje water, en filmden zowel de vloeistof als het gedrag van zeer kleine kunststofdeeltjes die ze door de vloeistof hadden gemengd. Daaruit blijkt dat de turbulente vloeistof aan de buitenkant een zeer dun grenslaagje heeft van enkele tienden van millimeters, van waaruit de turbulentie de omgeving als het ware opknaagt. Het grenslaagje bevat minuscule werveltjes, die het buitengebied beïnvloeden en laten meewervelen.

Een opmerkelijke vondst, want tot dusver ging iedereen vanuit dat turbulentie zich op een veel grovere manier verspreidt. Algemeen werd aangenomen dat turbulentie grote happen uit de stilstaande lucht of vloeistof inkapselt en vervolgens turbulent maakt. Dat insluiten van grote stukken niet-turbulente omgeving blijkt in de experimenten echter verantwoordelijk voor maar 7 tot 10 procent van de uitdijing, zo schrijft Westerweel samen met zijn collega’s dr. Chiharu Fukushima, dr. Jakob Pedersen en prof.dr. Lord Julian Hunt in het vakblad Physical Review Letters.

De vondst zal niet direct zorgen voor andere weermodellen of nieuwe vliegtuigvleugels, vertelt Westerweel. “Onze bijdrage is vooral van fundamenteel belang voor het begrip van wat er precies gebeurt op het grensvlak van turbulent en niet-turbulent. Daar weten we nog heel weinig van, maar in de stromingsmodellen wordt dat altijd een beetje onder het vloerkleed geschoven. We verwachten dat we nu op den duur op een veel nettere manier stromingen kunnen simuleren.”

Voorlopig is er nog werk aan de winkel. De mate van turbulentie wordt uitgedrukt met het zogeheten ‘Reynoldsgetal’, en het Reynoldsgetal waarmee Westerweel werkte, ligt enkele ordegroottes lager dan de Reynoldsgetallen van turbulente natuurverschijnselen zoals wolken en rookpluimen. “De volgende stap is dat we bekijken hoe algemeen ons resultaat is”, zegt Westerweel. “Maar ons vermoeden is dat het verschijnsel van het knabbelen bij hogere Reynoldsgetallen steeds sterker optreedt. Bij hogere Reynoldsgetallen komen er immers steeds meer van die kleine, knabbelende werveltjes aan de rand van de turbulentie.”

De experimentele uitkomst uit Delft al in de jaren vijftig voorspeld door theoretisch-natuurkundigen. In de jaren daarop meende men echter te hebben aangetoond dat er helemaal niet zoiets als een knabbelend buitenlaagje bestaat. Westerweel verwacht dan ook dat zijn experiment veel stof zal doen opwaaien in de stromingsleer. “Men heeft altijd gedacht dat de grote wervels belangrijk waren, en niet de kleine. Het is dus even wennen dat het andersom is.”

De stromingsleer is een opmerkelijke vakterm rijker: ‘knabbelen’. Laat een wervelende rookpluim of een turbulente vloeistof los in een niet-turbulent medium, en de wervelingen ‘knabbelen’ aan hun omgeving. Resultaat: een rookpluim die steeds breder wordt, een wolk die groeit of een turbulente stroming die wijder wordt.

Een Delfts onderzoeksteam onder leiding van prof.dr.ir. Jerry Westerweel wist de details van het verschijnsel voor het eerst experimenteel vast te leggen. De onderzoekers injecteerden gekleurde, turbulente vloeistof in een bakje water, en filmden zowel de vloeistof als het gedrag van zeer kleine kunststofdeeltjes die ze door de vloeistof hadden gemengd. Daaruit blijkt dat de turbulente vloeistof aan de buitenkant een zeer dun grenslaagje heeft van enkele tienden van millimeters, van waaruit de turbulentie de omgeving als het ware opknaagt. Het grenslaagje bevat minuscule werveltjes, die het buitengebied beïnvloeden en laten meewervelen.

Een opmerkelijke vondst, want tot dusver ging iedereen vanuit dat turbulentie zich op een veel grovere manier verspreidt. Algemeen werd aangenomen dat turbulentie grote happen uit de stilstaande lucht of vloeistof inkapselt en vervolgens turbulent maakt. Dat insluiten van grote stukken niet-turbulente omgeving blijkt in de experimenten echter verantwoordelijk voor maar 7 tot 10 procent van de uitdijing, zo schrijft Westerweel samen met zijn collega’s dr. Chiharu Fukushima, dr. Jakob Pedersen en prof.dr. Lord Julian Hunt in het vakblad Physical Review Letters.

De vondst zal niet direct zorgen voor andere weermodellen of nieuwe vliegtuigvleugels, vertelt Westerweel. “Onze bijdrage is vooral van fundamenteel belang voor het begrip van wat er precies gebeurt op het grensvlak van turbulent en niet-turbulent. Daar weten we nog heel weinig van, maar in de stromingsmodellen wordt dat altijd een beetje onder het vloerkleed geschoven. We verwachten dat we nu op den duur op een veel nettere manier stromingen kunnen simuleren.”

Voorlopig is er nog werk aan de winkel. De mate van turbulentie wordt uitgedrukt met het zogeheten ‘Reynoldsgetal’, en het Reynoldsgetal waarmee Westerweel werkte, ligt enkele ordegroottes lager dan de Reynoldsgetallen van turbulente natuurverschijnselen zoals wolken en rookpluimen. “De volgende stap is dat we bekijken hoe algemeen ons resultaat is”, zegt Westerweel. “Maar ons vermoeden is dat het verschijnsel van het knabbelen bij hogere Reynoldsgetallen steeds sterker optreedt. Bij hogere Reynoldsgetallen komen er immers steeds meer van die kleine, knabbelende werveltjes aan de rand van de turbulentie.”

De experimentele uitkomst uit Delft al in de jaren vijftig voorspeld door theoretisch-natuurkundigen. In de jaren daarop meende men echter te hebben aangetoond dat er helemaal niet zoiets als een knabbelend buitenlaagje bestaat. Westerweel verwacht dan ook dat zijn experiment veel stof zal doen opwaaien in de stromingsleer. “Men heeft altijd gedacht dat de grote wervels belangrijk waren, en niet de kleine. Het is dus even wennen dat het andersom is.”