ENGINEERINGNET -- Onderzoekers onder leiding van Detlef Lohse (Nederlandse Universiteit Twente) hebben voor het eerst een stroming in een gesloten systeem weten te maken die volledig ontwikkelde turbulentie benadert. Ze hebben daar ook zeer gedetailleerd aan gemeten.
Het onderzoek laat zien dat de turbulentie zich aan een voorspelde schaalwet houdt. Dat betekent dat een goede modellering van een volledig ontwikkelde turbulente stroming in een gesloten systeem voor het eerst binnen bereik komt. Het belang van deze resultaten ligt in het betrouwbaarder kunnen beschrijven van stromingen langs bijvoorbeeld de wand van varende schepen.
De wetenschappers hebben hun experimenten gedaan in een zogeheten Taylor-Couette-systeem.
Figuur 1 (STW):
een schematische weergave van een Rayleigh-Bénard-systeem (links) en een Taylor-Couette-systeem (rechts). De vloeistof in de cel links wordt aan de onderkant verhit waardoor via convectie turbulentie ontstaat. De vloeistof in de cel rechts wordt in beweging gebracht doordat de ronddraaiende binnencilinder energie overdraagt aan de vloeistof. Als de draaisnelheid groot genoeg wordt de vloeistof uiteindelijk turbulent.
De uitkomst van deze experimenten is dat je met een voldoende groot Taylorgetal de hele vloeistof turbulent kunt maken. Als het zogeheten Reynoldsgetal (een maat voor de turbulentie) in de stroming heel groot is, dan blijkt er een eenvoudige constante verhouding tussen dit getal en het Taylorgetal. Dit komt heel goed overeen met theoretische voorspellingen die Lohse en Siegfried Grossmann van de universiteit van Marburg in Duitsland eerder hebben gedaan.
Overigens beschreef onlangs een onderzoeksgroep van het Max-Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen een experiment waarbij in een Rayleigh-Bénard-systeem, onder invloed van warmteconvectie, eveneens volledig ontwikkelde turbulentie wordt bereikt.
Zo’n systeem bestaat uit een afgesloten cilinder, die aan de onderkant wordt verwarmd. Daardoor komt convectie op gang en het is die Duitse groep nu ook als eerste gelukt in zo’n systeem die toestand van volledige turbulentie te benaderen.
Lohse (Universiteit Twente) en Günther Ahlers, de leider van de groep in Göttingen, werken nauw samen. Hun onderzoek vult elkaar aan omdat de systemen waaraan zij werken, geheel verschillend van aard zijn, maar fysisch gezien overeenkomsten vertonen.
(KV)
Figuur 2 (STW):
de ontwikkeling van volkomen gelijkmatig stromende vloeistof (bij 1) naar uiteindelijk volledig ontwikkelde turbulentie (bij 6), gefotografeerd tijdens experimenten.
(Foto STW: Het Taylor-Couette-systeem zoals de Twentse onderzoekers dat voor hun experimenten gebruiken.)
