Onderzoekers van de Stichting FOM, de Technische Universiteit Delft, de Philipps-Universiteit Marburg in Duitsland, de Universiteit van Bristol in Groot-Brittannie en de Universiteit van Wisconsin, Verenigde Staten, hebben een volgende stap gezet in de oplossing van het raadsel turbulentie. Zij hebben een experiment gedaan in het Laboratorium voor Aero- en Hydrodyamica van de Technische Universiteit Delft. In dit experiment hebben zij voor het eerst lopende golven gezien. Dit zijn een soort wervels in een turbulente stroming in een buis. In de theorie zijn deze golven al enige tijd bekend, maar nu is het bestaan dus ook experimenteel aangetoond. Het is de eerste keer dat een experiment een theoretisch model voor turbulentie in een buisstroming bevestigt. Het experiment werpt een nieuw licht op het ontstaan van turbulente stromingen. De resultaten kunnen mogelijk bijdragen aan het verminderen van weerstand in de pijpleidingen, die op grote schaal gebruikt worden voor onder andere het transport van olie en gas. De wetenschappers hebben de resultaten van hun onderzoek op 10 september 2004 gepubliceerd in het Amerikaanse tijdschrift Science.
Turbulentie
Turbulentie kent iedereen uit zijn of haar directe omgeving als de beweging van wolken, weerpatronen, stroming in rivieren en de stroming die ontstaat bij roeren in de koffie. Een ander voorbeeld is te vinden in de keuken. Als je de waterkraan slechts een beetje opendraait, komt er een mooie gladde straal water uit de kraan (als er tenminste geen zeef in de kraanopening gemonteerd is). Dit is een laminaire stroming. Al het water stroomt netjes één kant op. Als je de kraan echter verder opendraait, verandert de waterstroming in een kolkende, ondoorzichtige straal. Dit is een turbulente stroming.
In de natuurkunde is turbulentie een voorbeeld van complex en chaotisch gedrag. Tot nu toe zijn er in de theorie van turbulentie maar weinig vorderingen gemaakt. Turbulentie is echter niet zomaar te negeren: het komt in de praktijk veel voor. Het is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de weerstand van de stroming door de pijpleidingen die het gas en water naar onze huizen transporteren. Vermindering van die weerstand zou ons een groot voordeel opleveren.
Van laminair naar turbulent
Het hierbeschreven onderzoek draait om de overgang van laminaire naar turbulente stroming in een buis. Ondanks het feit dat turbulentie een reeds lang bekend verschijnsel is (Leonardo da Vinci maakte al in 1529 schetsen van turbulente stromingen), is tot nu toe niet bekend hoe zo’n turbulente stroming in een buis ontstaat en blijft bestaan. In 1883 was Osborne Reynolds de eerste die de overgang van een zogenaamde laminaire naar een turbulente stroming onderzocht. Sindsdien worstelen wetenschappers nog steeds met de vraag waarom theorie en praktijk niet overeenkomen. De theorie voorspelt namelijk dat de stroming in een buis laminair zou moeten blijven, óók als de vloeistof harder gaat stromen. Het voorbeeld uit de keuken laat zien dat dit in de praktijk niet zo is. Bovendien vindt deze overgang zeer plotseling en volledig plaats, zonder tussenstadia of een duidelijke grens.
Nieuw theoretisch model
Recent hebben de wetenschappers uit Duitsland en Groot-Brittannië een exacte oplossing geconstrueerd van de zogenaamde Navier-Stokesvergelijkingen-numeriek voor de stroming in een buis. Deze vergelijkingen vormen de basis voor de theorie van stromingen. De nieuwe oplossing bestaat uit wervels, in de vorm van niet-lineair lopende golven. Tussen de wervels ontstaan onder andere langgerekte gebieden van langzaam stromende vloeistof, ook wel ‘streaks’ genoemd. Deze streaks hebben wetenschappers al veel eerder in turbulente stromingen waargenomen.
De theorie voorspelt dat als de stroomsnelheid in een buis toeneemt er meer van dit soort periodieke oplossingen ontstaan. De oplossingen kunnen bijvoorbeeld verschillen in het aantal wervels en streaks. Omdat de oplossingen niet stabiel zijn, bevindt stroming zich nu eens in de buurt van de ene en dan weer in de buurt van een andere oplossing. Dit onvoorspelbare heen en weer springen tussen de oplossingen verklaart het chaotisch gedrag van turbulentie. Tot nu toe echter was deze theorie slechts een van de vele mogelijke theoretische modellen voor turbulentie.
Het experiment
In het Delftse Laboratorium voor Aero- en Hydrodynamica hebben promovendus Casimir van Doorne en postdoc Bjorn Hof onder leiding van prof.dr.ir. Frans Nieuwstadt en prof.dr.ir. Jerry Westerweel een experiment opgezet om de overgang van laminaire naar turbulente stroming te onderzoeken. Zij verstoorden een laminaire stroming in een dertig meter lange buis door een bepaalde hoeveelheid water te injecteren. Door deze verstoring werd de stroming in een klein gebied turbulent: er ontstond een turbulente ‘puff’. De onderzoekers bekeken hoe zes meter na het punt van injectie het turbulente gebied zich ontwikkelde. Zij deden de waarnemingen met een geavanceerd ‘stereoscopic particle image velocity’-systeem. Dit systeem bestaat uit twee zeer snelle camera’s die afbeeldingen maken van een door een laser verlichte doorsnede van de stroming.
In deze turbulente puffs hebben de Delftenaren de lopende golven duidelijk waargenomen. Hiermee is hun bestaan in turbulente stroming bevestigd en is een bewijs voor het nieuwe theoretische model geleverd. Met deze oplossing zijn de onderzoekers op de goede weg om het raadsel van turbulente stromingen verder te ontwarren. Dit zou bijvoorbeeld nieuwe methoden kunnen opleveren om turbulentie en chaos onder controle te krijgen, met als toepassing bijvoorbeeld het transport van stroming door pijpleidingen met verwaarloosbare wrijving.
