In stromende vloeistoffen ontstaat altijd turbulentie, maar niemand weet hoe of waarom. Björn Hof en Cas van Doorne van de sectie stromingsleer legden voor het toonaangevende wetenschapsblad Science het verschijnsel op snelfilm vast.
Delen
Iedereen die wel eens heeft gewildwaterkanood kan wervelingen rond een steen in het water zien ontstaan. Maar ook zonder obstakel onderweg verandert iedere stroming met hoge snelheid in een chaos van draaiingen en wervels die op een abstract schilderij niet zouden misstaan.
Ra ra hoe kan dat, is de wetenschapsvraag die al rond de hoofden van natuurkundigen cirkelt sinds de godfather van de turbulentie, Reynolds, in 1883 het verschijnsel in pijpen bestudeerde. De antwoordknop heeft nog niemand met een overtuigende slag ingedrukt.
Twee jaar geleden werd dankzij de moderne rekenkracht van computers wel een kleine sprong voorwaarts gemaakt. Duitse fysici voorspelden patronen van lopende golven binnen turbulente stromingen, met een computermodel gebaseerd op de Navier-Stokes-vergelijkingen uit de stromingsleer. Maar of die golfpatronen ook echt bestonden was koffiedik kijken. Cas van Doorne en Björn Hof wisten de theoretische voorspellingen van de Duitsers dit voorjaar op film te vangen en stuurden de resultaten naar Science. Het tijdschrift reserveerde meteen een paar pagina’s voor het duo.
“Het artikel heeft veel impact in ons vakgebied”, zegt Björn Hof, schrijver van het verhaal. “Met deze experimenten hebben we namelijk aangetoond dat er toch een beetje ordelijke patronen in de chaos van turbulente stromingen zit. Het was al wel voorspeld, maar niemand had dit ooit in werkelijkheid gezien.”
Het geheim van de Delftse smid zat hem, zoals vaker hier gebeurt, in de juiste proefopstelling. De onderzoekers gebruikten een 26 meter lange testbuis die na 22 meter in een donkere kamer eindigt in het stromingslab. Met laserlicht werd vervolgens de dwarsdoorsnede van de buis verlicht. Twee ultrasnelle camera’s maakten in stereo duizend foto’s per seconde van de vloeistofstromingen om de beweging vast te leggen. De turbulente stromingspatronen maakte hij zichtbaar met lichtweerkaatsende deeltjes in de vloeistof.
Het klaarmaken van de apparatuur voor de metingen kostte Van Doorne anderhalf jaar werk. Maandag promoveert hij. “We hebben expres zo’n lange testbuis gebruikt”, zegt hij. “Daardoor kun je de stroomsnelheid zo hoog maken, dat er niet meteen bij de ingang van de buis turbulentie optreedt. We bepalen zelf het moment waar de stroom turbulent moet worden, door op het gewenste punt water in de buis te injecteren.” (Het injecteren werkt als de rots bij het wildwaterkanoën)
Ook moest het totale systeem precies afgestemd worden, volgens Van Doorne. “Iedere kleine verstoring aan het begin van de buis geeft aan het eind een compleet ander turbulentiepatroon”, zegt hij. “Het is vergelijkbaar met een bekende parabel uit de chaostheorie, over een vlinder in Japan die in Amerika een orkaan veroorzaakt door zijn vleugels te bewegen.”
De metingen namen hooguit drie weken in beslag. Langer mocht de groep de 1000-hertzcamera’s niet lenen van de fabrikant. En zelf aanschaffen was te duur: de apparaten kosten een slordige kwart miljoen euro. “Maar omdat we in Science staan krijgen we geld van het Fundamenteel Onderzoek der Materie om ze alsnog zelf aan te schaffen”, vertelt Hof. “De fabrikant kon de publiciteit voor zijn nieuwe apparaat wel waarderen.”
Het duo mag dan een aantal patronen ontdekt hebben, maar er zijn nog vele miljoenen variaties mogelijk op hetzelfde turbulentiethema. Krijgen de onderzoekers door hun fotosessie nu ook grip op het verschijnsel? “Het doel voor de volgende experimenten is meer turbulentiepatronen vast te leggen bij meer verschillende snelheden”, zegt Hof. “Hoe meer patronen je van een turbulente stroming ontdekt, hoe beter je het verschijnsel begrijpt. Maar toepassing van die kennis is ver weg. We ontwerpen bijvoorbeeld geen pak voor zwemmers waarmee je de turbulentie te snel af bent. Haaienhuid werkt voorlopig het beste.”
Björn Hof en Cas van Doorne van de sectie stromingsleer gebruikten een 26 meter lange testbuis die na 22 meter in een donkere kamer eindigt in het stromingslab. “We bepalen zelf het moment waar de stroom turbulent moet worden, door op het gewenste punt water in de buis te injecteren.”
Iedereen die wel eens heeft gewildwaterkanood kan wervelingen rond een steen in het water zien ontstaan. Maar ook zonder obstakel onderweg verandert iedere stroming met hoge snelheid in een chaos van draaiingen en wervels die op een abstract schilderij niet zouden misstaan.
Ra ra hoe kan dat, is de wetenschapsvraag die al rond de hoofden van natuurkundigen cirkelt sinds de godfather van de turbulentie, Reynolds, in 1883 het verschijnsel in pijpen bestudeerde. De antwoordknop heeft nog niemand met een overtuigende slag ingedrukt.
Twee jaar geleden werd dankzij de moderne rekenkracht van computers wel een kleine sprong voorwaarts gemaakt. Duitse fysici voorspelden patronen van lopende golven binnen turbulente stromingen, met een computermodel gebaseerd op de Navier-Stokes-vergelijkingen uit de stromingsleer. Maar of die golfpatronen ook echt bestonden was koffiedik kijken. Cas van Doorne en Björn Hof wisten de theoretische voorspellingen van de Duitsers dit voorjaar op film te vangen en stuurden de resultaten naar Science. Het tijdschrift reserveerde meteen een paar pagina’s voor het duo.
“Het artikel heeft veel impact in ons vakgebied”, zegt Björn Hof, schrijver van het verhaal. “Met deze experimenten hebben we namelijk aangetoond dat er toch een beetje ordelijke patronen in de chaos van turbulente stromingen zit. Het was al wel voorspeld, maar niemand had dit ooit in werkelijkheid gezien.”
Het geheim van de Delftse smid zat hem, zoals vaker hier gebeurt, in de juiste proefopstelling. De onderzoekers gebruikten een 26 meter lange testbuis die na 22 meter in een donkere kamer eindigt in het stromingslab. Met laserlicht werd vervolgens de dwarsdoorsnede van de buis verlicht. Twee ultrasnelle camera’s maakten in stereo duizend foto’s per seconde van de vloeistofstromingen om de beweging vast te leggen. De turbulente stromingspatronen maakte hij zichtbaar met lichtweerkaatsende deeltjes in de vloeistof.
Het klaarmaken van de apparatuur voor de metingen kostte Van Doorne anderhalf jaar werk. Maandag promoveert hij. “We hebben expres zo’n lange testbuis gebruikt”, zegt hij. “Daardoor kun je de stroomsnelheid zo hoog maken, dat er niet meteen bij de ingang van de buis turbulentie optreedt. We bepalen zelf het moment waar de stroom turbulent moet worden, door op het gewenste punt water in de buis te injecteren.” (Het injecteren werkt als de rots bij het wildwaterkanoën)
Ook moest het totale systeem precies afgestemd worden, volgens Van Doorne. “Iedere kleine verstoring aan het begin van de buis geeft aan het eind een compleet ander turbulentiepatroon”, zegt hij. “Het is vergelijkbaar met een bekende parabel uit de chaostheorie, over een vlinder in Japan die in Amerika een orkaan veroorzaakt door zijn vleugels te bewegen.”
De metingen namen hooguit drie weken in beslag. Langer mocht de groep de 1000-hertzcamera’s niet lenen van de fabrikant. En zelf aanschaffen was te duur: de apparaten kosten een slordige kwart miljoen euro. “Maar omdat we in Science staan krijgen we geld van het Fundamenteel Onderzoek der Materie om ze alsnog zelf aan te schaffen”, vertelt Hof. “De fabrikant kon de publiciteit voor zijn nieuwe apparaat wel waarderen.”
Het duo mag dan een aantal patronen ontdekt hebben, maar er zijn nog vele miljoenen variaties mogelijk op hetzelfde turbulentiethema. Krijgen de onderzoekers door hun fotosessie nu ook grip op het verschijnsel? “Het doel voor de volgende experimenten is meer turbulentiepatronen vast te leggen bij meer verschillende snelheden”, zegt Hof. “Hoe meer patronen je van een turbulente stroming ontdekt, hoe beter je het verschijnsel begrijpt. Maar toepassing van die kennis is ver weg. We ontwerpen bijvoorbeeld geen pak voor zwemmers waarmee je de turbulentie te snel af bent. Haaienhuid werkt voorlopig het beste.”
Björn Hof en Cas van Doorne van de sectie stromingsleer gebruikten een 26 meter lange testbuis die na 22 meter in een donkere kamer eindigt in het stromingslab. “We bepalen zelf het moment waar de stroom turbulent moet worden, door op het gewenste punt water in de buis te injecteren.”
Comments are closed.