Rust in de pijp

Het liefst zou prof.dr.ir. Jerry Westerweel een opmerkelijke proef doen. Neem een tuinslang van veertigduizend kilometer lang. Leg die rond de aarde. Laat er water door stromen, en maak de stroming met een kleine verstoring turbulent. Je zult zien: na vijf jaar, als het water een rondje wereldbol heeft gemaakt, is alle turbulentie verdwenen.

Dat is een haast ketterse bewering. Tot nu toe ging iedereen ervan uit dat turbulentie in een buis, als die er eenmaal is, een permanente eigenschap is van de vloeistof. Niets meer aan te doen. Anders dan bijvoorbeeld de turbulentie in het kielzog van een schip wordt turbulentie in een buis immers voortdurend ‘gevoed’ door de druk die nodig is om de vloeistof door de buis te duwen. “Maar wat we tot nu toe dachten, klopt niet”, zegt Westerweel, zichtbaar in zijn nopjes. Zijn ontdekking dat turbulentie in een pijpleiding op den duur vanzelf uitdooft, is dan ook goed voor een publicatie in Nature . mede ondertekend door Westerweels collega’s van de Duitse Philipps Universitt en zijn inmiddels naar Engeland vertrokken postdoc Björn Hof.

Westerweel kwam het uitsterven van turbulentie op het spoor toen hij bezig was met de voorbereiding van een studentenpracticum. Stoeiend met een recent onderzoekspaper over het ontstaan van turbulentie, stuitte Westerweel op een onvolkomenheid.

“Ik wilde een voor studenten uitvoerbaar experiment ontwerpen, en moest daarom die grafieken versimpelen. Zo kwam ik tot een grappig inzicht. Opeens rolde er een heel andere voorspelling uit de gegevens.”

Westerweel besloot dat ‘grappige inzicht’ in de praktijk te toetsen. Niet met een tuinslang om de aardbol, maar met een dertig meter lange koperbuis met een binnendiameter van vier millimeter. Als het gaat om turbulentie, wordt de ‘lengte’ namelijk uitgedrukt in het aantal malen de diameter van de pijp. De buis waarmee Westerweel werkte, verdient inderdaad het predikaat ‘lang’: 7500 maal de diameter.

Daarna lieten de onderzoekers water door het buisje vloeien. Op gezette tijden brachten ze het gelijkmatig stromende water in beroering met een kleine waterinjectie . het injectiemechanisme haalden ze uit een sloopauto. Dertig meter verderop ging men kijken: was het water bij het verlaten van de pijp nog steeds turbulent? Dat bleek, tegen de leerboeken in, niet altijd het geval.
Stroperig

Dat zal heftige turbulentie geven in de onderzoeksgemeenschap. Eerstejaarsstudenten leren nu nog dat er in buisstromingen zoiets bestaat als een kritisch ‘Reynoldsgetal’, waarbij gelijkmatig stromende vloeistof omslaat in een turbulente massa. Dat Reynoldsgetal, een dimensieloos getal, is een soort kengetal voor stroming: buisdiameter, stroomsnelheid en stroperigheid van de vloeistof zitten erin versleuteld. Het kritische Reynoldsgetal waarbij een gelijkmatige stroming turbulent wordt, ligt ergens tussen de 2000 en de 2300, leren eerstejaarsstudenten. Maar nu ligt die kennis dankzij Westerweels koperbuis aan diggelen. “We kunnen niet langer zeggen: bij een eindig Reynoldsgetal hoort een oneindige turbulentie.”

Directe gevolgen voor de praktijk heeft Westerweels ontdekking niet. Daarvoor sterft turbulentie te langzaam uit. Zo stelt de Amerikaanse stromingsfysicus Daniel Lathrop in een commentaar op Westerweels artikel vast dat het 10 tot de 3000ste jaar zou duren voordat de turbulentie vanzelf verdwijnt uit de gemiddelde hoofdwaterleiding. Een één met drieduizend nullen, ga daar maar eens op wachten.

Toch: je weet nooit, vindt Westerweel. Blijkbaar zijn ’turbulent’ en ‘gelijkmatig stromend’ geen totaal verschillende zijnstoestanden, maar weerskanten van dezelfde medaille. “Die toestanden zijn op de een of andere manier met elkaar verbonden. Dat kan betekenen dat je een turbulente stroming met een bepaald duwtje misschien weer gelijkmatig kunt krijgen. Ik zie niet in waarom dat fundamenteel onmogelijk zou zijn.”

Voor het Laboratorium voor de Aëro- en Hydrodynamica is de Nature-publicatie om nog een andere reden belangrijk. In mei vorig jaar trilde de afdeling op haar grondvesten, toen haar boegbeeld prof.dr.ir. Frans Nieuwstadt plotseling overleed. “Deze publicatie voelt echt aan als de afsluiting van een zeer moeilijk jaar”, zegt Westerweel, die Nieuwstadt heeft opgevolgd.

Een turbulente straal vloeistof belandt in een bakje met stilstaand water, overigens in een eerder experiment. (Illustratie: Jerry Westerweel / Stichting FOM)

Het liefst zou prof.dr.ir. Jerry Westerweel een opmerkelijke proef doen. Neem een tuinslang van veertigduizend kilometer lang. Leg die rond de aarde. Laat er water door stromen, en maak de stroming met een kleine verstoring turbulent. Je zult zien: na vijf jaar, als het water een rondje wereldbol heeft gemaakt, is alle turbulentie verdwenen.

Dat is een haast ketterse bewering. Tot nu toe ging iedereen ervan uit dat turbulentie in een buis, als die er eenmaal is, een permanente eigenschap is van de vloeistof. Niets meer aan te doen. Anders dan bijvoorbeeld de turbulentie in het kielzog van een schip wordt turbulentie in een buis immers voortdurend ‘gevoed’ door de druk die nodig is om de vloeistof door de buis te duwen. “Maar wat we tot nu toe dachten, klopt niet”, zegt Westerweel, zichtbaar in zijn nopjes. Zijn ontdekking dat turbulentie in een pijpleiding op den duur vanzelf uitdooft, is dan ook goed voor een publicatie in Nature . mede ondertekend door Westerweels collega’s van de Duitse Philipps Universitt en zijn inmiddels naar Engeland vertrokken postdoc Björn Hof.

Westerweel kwam het uitsterven van turbulentie op het spoor toen hij bezig was met de voorbereiding van een studentenpracticum. Stoeiend met een recent onderzoekspaper over het ontstaan van turbulentie, stuitte Westerweel op een onvolkomenheid.

“Ik wilde een voor studenten uitvoerbaar experiment ontwerpen, en moest daarom die grafieken versimpelen. Zo kwam ik tot een grappig inzicht. Opeens rolde er een heel andere voorspelling uit de gegevens.”

Westerweel besloot dat ‘grappige inzicht’ in de praktijk te toetsen. Niet met een tuinslang om de aardbol, maar met een dertig meter lange koperbuis met een binnendiameter van vier millimeter. Als het gaat om turbulentie, wordt de ‘lengte’ namelijk uitgedrukt in het aantal malen de diameter van de pijp. De buis waarmee Westerweel werkte, verdient inderdaad het predikaat ‘lang’: 7500 maal de diameter.

Daarna lieten de onderzoekers water door het buisje vloeien. Op gezette tijden brachten ze het gelijkmatig stromende water in beroering met een kleine waterinjectie . het injectiemechanisme haalden ze uit een sloopauto. Dertig meter verderop ging men kijken: was het water bij het verlaten van de pijp nog steeds turbulent? Dat bleek, tegen de leerboeken in, niet altijd het geval.
Stroperig

Dat zal heftige turbulentie geven in de onderzoeksgemeenschap. Eerstejaarsstudenten leren nu nog dat er in buisstromingen zoiets bestaat als een kritisch ‘Reynoldsgetal’, waarbij gelijkmatig stromende vloeistof omslaat in een turbulente massa. Dat Reynoldsgetal, een dimensieloos getal, is een soort kengetal voor stroming: buisdiameter, stroomsnelheid en stroperigheid van de vloeistof zitten erin versleuteld. Het kritische Reynoldsgetal waarbij een gelijkmatige stroming turbulent wordt, ligt ergens tussen de 2000 en de 2300, leren eerstejaarsstudenten. Maar nu ligt die kennis dankzij Westerweels koperbuis aan diggelen. “We kunnen niet langer zeggen: bij een eindig Reynoldsgetal hoort een oneindige turbulentie.”

Directe gevolgen voor de praktijk heeft Westerweels ontdekking niet. Daarvoor sterft turbulentie te langzaam uit. Zo stelt de Amerikaanse stromingsfysicus Daniel Lathrop in een commentaar op Westerweels artikel vast dat het 10 tot de 3000ste jaar zou duren voordat de turbulentie vanzelf verdwijnt uit de gemiddelde hoofdwaterleiding. Een één met drieduizend nullen, ga daar maar eens op wachten.

Toch: je weet nooit, vindt Westerweel. Blijkbaar zijn ’turbulent’ en ‘gelijkmatig stromend’ geen totaal verschillende zijnstoestanden, maar weerskanten van dezelfde medaille. “Die toestanden zijn op de een of andere manier met elkaar verbonden. Dat kan betekenen dat je een turbulente stroming met een bepaald duwtje misschien weer gelijkmatig kunt krijgen. Ik zie niet in waarom dat fundamenteel onmogelijk zou zijn.”

Voor het Laboratorium voor de Aëro- en Hydrodynamica is de Nature-publicatie om nog een andere reden belangrijk. In mei vorig jaar trilde de afdeling op haar grondvesten, toen haar boegbeeld prof.dr.ir. Frans Nieuwstadt plotseling overleed. “Deze publicatie voelt echt aan als de afsluiting van een zeer moeilijk jaar”, zegt Westerweel, die Nieuwstadt heeft opgevolgd.

Een turbulente straal vloeistof belandt in een bakje met stilstaand water, overigens in een eerder experiment. (Illustratie: Jerry Westerweel / Stichting FOM)