Turbulente hologrammen

r.ir. Jerry Westerweel (Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen)

Tussenstand: Ongeveer driekwart

”We weten hoe een appel valt en hoe een kanonskogel vliegt, maar binnen de klassieke natuurkunde is turbulentie in zowel vloeistoffen als gassen nog grotendeels onbegrepen. Vanuit fundamenteel oogpunt is turbulentie daarom interessant. Ik werk aan een methode waarmee we turbulentie beter kunnen onderzoeken. Op termijn kan dit ook interessant zijn voor de industrie, denk bijvoorbeeld aan de auto- en vliegtuigindustrie. Zij hebben methoden nodig om vloeistof- en luchtstromingen te meten in het ontwerpproces van hun producten.

Een van de meetmethoden die nu worden gebruikt is particle image velocimetry (PIV). Deeltjes van enkele micrometers, vaak kunstof of glazen bolletjes, worden in een stromende vloeistof of gas vermengd. Een laser belicht de deeltjes in een vlak in de stroming. Van dat vlak wordt om de milliseconde een foto gemaakt. Door de posities van de deeltjes op de verschillende foto’s met elkaar te vergelijken kunnen we stromingssnelheden bepalen.

Met deze methode krijg je een tweedimensionaal beeld van een stroming. Dat kan handig zijn. Je kunt bijvoorbeeld een dwarsdoorsnede maken van een vliegtuigvleugel en de stroming daar omheen meten. Maar aan de tip van de vleugel ontstaan verschillende draaikolken. De industrie heeft daarom veel belangstelling om turbulentie in drie dimensies te meten.

In 1994 werd voor het eerst geëxperimenteerd met hologrammen van oplichtende deeltjes in een stroming. Dat gebeurde op zilverhalide film. Het werkte goed, maar het ontwikkelen van de film was ontzettend tijdrovend. Sinds enkele jaren maken we daarom digitale holografische beelden. Ik probeer deze techniek zo bruikbaar mogelijk te maken. Er kleven namelijk nog een aantal nadelen aan deze techniek. De resolutie van de plaatjes is veel kleiner. Met film kon men enkele honderden duizenden deeltjes per opname zien. In het digitale hologram zien we maar tweehonderd deeltjes.

De deeltjes verstrooien het licht vooral in de lengterichting. Tijdens het uitlezen van de hologrammen zien we de deeltjes hierdoor als lang uitgerekte staafjes. Een soort sigaren. Door dit vertekende beeld is het lastig de snelheid van de deeltjes te meten. Want daarvoor moet je weten wat het middelpunt is van de sigaar en dat is niet altijd duidelijk. Ik heb bedacht dat we de sigaren minder uitgerekt kunnen maken door een speciaal filter, een Fourier-filter, voor de camera te plaatsen.

Naast deze verbetering breng ik de mogelijkheden en beperkingen van het meetsysteem in kaart. Ik zoek naar specifieke stromingen waarbij deze methode tot zijn recht komt. Dat klinkt als de wereld op zijn kop, maar op deze manier kunnen we de mogelijkheden van het meetsysteem het best laten zien.”(TvD)

Naam: ir. Thomas Ooms (32)

Nationaliteit: Nederlandse

Onderzoek: Digital holographic particle image velocimetry

Promotor: prof.dr.ir. Jerry Westerweel (Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen)

Tussenstand: Ongeveer driekwart

”We weten hoe een appel valt en hoe een kanonskogel vliegt, maar binnen de klassieke natuurkunde is turbulentie in zowel vloeistoffen als gassen nog grotendeels onbegrepen. Vanuit fundamenteel oogpunt is turbulentie daarom interessant. Ik werk aan een methode waarmee we turbulentie beter kunnen onderzoeken. Op termijn kan dit ook interessant zijn voor de industrie, denk bijvoorbeeld aan de auto- en vliegtuigindustrie. Zij hebben methoden nodig om vloeistof- en luchtstromingen te meten in het ontwerpproces van hun producten.

Een van de meetmethoden die nu worden gebruikt is particle image velocimetry (PIV). Deeltjes van enkele micrometers, vaak kunstof of glazen bolletjes, worden in een stromende vloeistof of gas vermengd. Een laser belicht de deeltjes in een vlak in de stroming. Van dat vlak wordt om de milliseconde een foto gemaakt. Door de posities van de deeltjes op de verschillende foto’s met elkaar te vergelijken kunnen we stromingssnelheden bepalen.

Met deze methode krijg je een tweedimensionaal beeld van een stroming. Dat kan handig zijn. Je kunt bijvoorbeeld een dwarsdoorsnede maken van een vliegtuigvleugel en de stroming daar omheen meten. Maar aan de tip van de vleugel ontstaan verschillende draaikolken. De industrie heeft daarom veel belangstelling om turbulentie in drie dimensies te meten.

In 1994 werd voor het eerst geëxperimenteerd met hologrammen van oplichtende deeltjes in een stroming. Dat gebeurde op zilverhalide film. Het werkte goed, maar het ontwikkelen van de film was ontzettend tijdrovend. Sinds enkele jaren maken we daarom digitale holografische beelden. Ik probeer deze techniek zo bruikbaar mogelijk te maken. Er kleven namelijk nog een aantal nadelen aan deze techniek. De resolutie van de plaatjes is veel kleiner. Met film kon men enkele honderden duizenden deeltjes per opname zien. In het digitale hologram zien we maar tweehonderd deeltjes.

De deeltjes verstrooien het licht vooral in de lengterichting. Tijdens het uitlezen van de hologrammen zien we de deeltjes hierdoor als lang uitgerekte staafjes. Een soort sigaren. Door dit vertekende beeld is het lastig de snelheid van de deeltjes te meten. Want daarvoor moet je weten wat het middelpunt is van de sigaar en dat is niet altijd duidelijk. Ik heb bedacht dat we de sigaren minder uitgerekt kunnen maken door een speciaal filter, een Fourier-filter, voor de camera te plaatsen.

Naast deze verbetering breng ik de mogelijkheden en beperkingen van het meetsysteem in kaart. Ik zoek naar specifieke stromingen waarbij deze methode tot zijn recht komt. Dat klinkt als de wereld op zijn kop, maar op deze manier kunnen we de mogelijkheden van het meetsysteem het best laten zien.”(TvD)