Leonardo's Paradox
Onderzoek van de groep Physics of Fluids aan de Universiteit Twente laat zien dat vrijbewegende sferische deeltjes in water in verschillende opzichten wezenlijk ander gedrag vertonen dan onderzoekers op basis van bestaand onderzoek aan vastgehouden deeltjes verwachtten. Niet alleen de stroomsnelheid van water beïnvloedt het gedrag van vrijbewegende deeltjes. Ook andere factoren zoals de dichtheid blijken een belangrijke rol te spelen. Visualisaties van de stroming rondom opstijgende deeltjes sieren in het jaar 2005 de cover van het blad Nonlinearity. Het begeleidend artikel wordt gepubliceerd in de Januari-editie.
Afwijkende paden
Leonardo da Vinci rapporteerde als eerste over bellen die, als ze groot genoeg zijn, niet in een rechte lijn omhoog bewegen, maar een zigzag- of spiraalpad volgen. Deze afwijking van het rechtlijnige pad lijkt tegenstrijdig. De opwaartse kracht, die de bel doet stijgen, werkt namelijk in verticale richting en oefent geen horizontale krachten op de bel uit.
Deeltjes blijken soortgelijke paden te doorlopen. FOM-oio Christian Veldhuis kijkt met Arie Biesheuvel, Michel Versluis, Leen van Wijngaarden en Detlef Lohse naar het gedrag van opstijgende en dalende sferische deeltjes in water. De diameter van de deeltjes varieert van circa één tot tien millimeter. De onderzoekers visualiseren het stromingsveld rond het deeltje met de experimentele 'Schlieren'-techniek. Het doel is om verschillende structuren in het stromingsveld te koppelen aan het pad (recht, zigzag, spiraal, chaotisch), dat het deeltje doorloopt. Zo willen de Twentse onderzoekers tot een verklaring komen voor de niet-rechtlijnig beweging van de deeltjes.
Vastgehouden deeltjes
De afgelopen jaren is er veel onderzoek gedaan naar het stromingsveld achter een deeltje, dat op zijn plaats gehouden wordt in stromend water. Resultaten hebben laten zien hoe het stromingsveld verandert als de stroomsnelheid toeneemt. Bij lage stroomsnelheden is de structuur van het stromingsveld achter het deeltje volledig constant in de tijd. Echter, als de stroomsnelheid verhoogd wordt, wordt het stromingsveld instabiel en tijdsafhankelijk. Aan het oppervlak van het deeltje worden met een vaste frequentie wervels afgeschud. Het nog verder verhogen van de stroomsnelheid leidt tot een volledig instabiel stromingsveld met een turbulent karakter.
Vrijbewegende deeltjes
Onbekend was echter nog hoe vrijbewegende deeltjes zich gedragen als de stroomsnelheid toeneemt. Gedacht werd dat de deeltjes paden zouden doorlopen, die dezelfde frequentie hebben als het stromingsveld achter het deeltje. Het huidige onderzoek toont echter aan dat dit niet altijd het geval hoeft te zijn. Andere factoren, zoals dichtheid van het deeltje, blijken een belangrijke rol te spelen.
Het gedrag van een vrijbewegend deeltje in water is afhankelijk van twee onafhankelijke parameters; de dichtheidsverhouding tussen de vloeistof en het deeltje, en het zogenaamde getal van Galileo. In dit laatste getal komen de grootte van het deeltje en de viscositeit van de vloeistof naar voren. Het gedrag van de vrijbewegende deeltjes is afhankelijk van de waarden van deze parameters.
De onderzoekers hebben deeltjes met verschillende dichtheden en verschillende getallen van Galileo laten stijgen en dalen in water. Als het getal van Galileo niet al te groot is, wordt het stromingsveld achter een dalend deeltje instabiel. Het deeltje blijft wel bewegen in een rechte lijn. Als hetzelfde deeltje echter opstijgt beïnvloedt het stromingsveld het pad dat het deeltje doorloopt (zie figuur 1). Het deeltje gaat zigzaggend omhoog.
Als het getal van Galileo groter wordt, wordt het stromingsveld achter het opstijgende deeltje verder instabiel. Het krijgt een turbulent karakter (zie figuur 2). Het deeltje gaat een spiraalvormig pad volgen. Verder onderzoek moet uitwijzen of in dit stromingsveld een basisstructuur aanwezig is, die zorgt voor het spiraalpad dat het deeltje hier doorloopt.
De stromingsstructuren achter de deeltjes zijn dus essentieel voor het verklaren van de de verschillende paden, die een deeltje kan doorlopen. Niet alleen de opwaartse kracht speelt hierbij een rol. Ook de krachten veroorzaakt door het stromingsveld achter het deeltje beïnvloeden het pad.
Gedrag van opstijgende bellen
De onderzoekers breiden hun werk nu uit naar het gedrag van opstijgende bellen. Hierbij kijken zij met name naar het grote verschil met vaste deeltjes, namelijk de vormveranderingen die een bel kan ondergaan. In de literatuur is veel bekend over kleine bellen (tot diameters van één millimeter) waar vormveranderingen een beperkte rol spelen. Echter, voor grote bellen hebben de vormveranderingen een grotere rol op de stromingsstructuur en het pad van de bel en vice versa. Hierover is nog weinig bekend.
Figuur 3 laat een opstijgende bel zien, die een spiraalvormig pad doorloopt. Door vormveranderingen van de bel is het stromingsveld achter de bel verdeeld. Er zijn turbulente delen en delen met een geordende structuur. De Twentenaren gaan kijken hoe deze vormveranderingen van invloed kunnen zijn op het stromingsveld en het pad dat de bel doorloopt.