Turbulente stromingen hebben scherpe rand
Gebieden met een turbulente stroming, zoals een cumuluswolk of een rookpluim, worden omgeven door een heel dun grenslaagje, waarin de snelheid van de stroming een kleine maar meetbare sprong maakt. Tot deze conclusie komen onderzoekers van de Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft op basis van uiterst nauwkeurige laboratoriumexperimenten. De resultaten van het onderzoek verschijnen op 24 oktober 2005 in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters.
Turbulentie is een moeilijk definieerbaar verschijnsel. Ruwweg kun je zeggen dat een turbulente stroming grillig en wervelend beweegt, zoals bijvoorbeeld in opstijgende sigarettenrook. Dit in tegenstelling tot een laminaire stroming, waarbij een hoeveel lucht of vloeistof gelijkmatig stroomt, zonder fluctuaties of wervelingen.
Turbulente stromingen komen veel voor in de industrie, bijvoorbeeld bij het mengen of verbranden van stoffen. Ook in de atmosfeer spelen turbulente stromingen een belangrijke rol. Een beter begrip van het verschijnsel turbulentie helpt wetenschappers om betere weersvoorspellingen te maken, of om industriële processen te optimaliseren.
Al decennia lang vragen onderzoekers zich af wat er precies gebeurt op de grens tussen een turbulent gebied (zoals een rookpluim of een wolk) en de stilstaande lucht of vloeistof daar omheen. Op die plek vindt er immers een overgang plaats van een grillige beweging naar een stilstaand medium. Sommige wetenschappers veronderstelden op basis van theoretische argumenten dat een turbulente stroming wordt omsloten door een zeer dun grenslaagje, waarin de snelheid van de stroming heel snel afneemt. Maar omdat dit dunne grenslaagje nooit experimenteel werd waargenomen, namen de meeste wetenschappers aan dat de snelheidsovergang meer geleidelijk verloopt.
Gekleurde vloeistof
De laboratoriumexperimenten van hoogleraar stromingsleer Jerry Westerweel en zijn collega's tonen aan dat de eerste aanname juist is. De natuurkundigen spoten een gekleurde vloeistof met een snelheid van twee meter per seconde door een smal buisje (met een diameter van 1 millimeter) in een bak met stilstaand water. Daardoor ontstond in het water een turbulente straal of "jet", die vanaf de zijkant werd belicht met behulp van laserlicht.
Een snelle, hoge-resolutie digitale camera registreerde de beweging van de gekleurde vloeistof. Daardoor konden de onderzoekers op elk tijdstip exact de positie van de rand van het turbulente gebied bepalen. Een tweede camera registreerde de beweging van zeer kleine deeltjes (met een grootte van 0,005 millimeter) in de stroming. Uit die beelden berekenden de onderzoekers de snelheid van het stromingsveld. "Precies op de rand van het gekleurde gebied maakt de snelheid een duidelijke sprong", zegt Westerweel. "Dat betekent dat er inderdaad een zeer dunne grenslaag aanwezig is."
Ook lieten de experimenten zien hoe de rand van een turbulente straal zich vermengt met de stilstaande vloeistof in de omgeving. Net als een pluim sigarettenrook wordt een turbulente wolk of straal in de loop van de tijd namelijk steeds breder. Tot nu toe namen wetenschappers aan dat dat komt doordat grote wervelingen aan de rand van het turbulente gebied voortdurend stilstaande vloeistof uit de omgeving omsluiten, waarna die vloeistof zich vermengt met de turbulente stroming. De Delftse experimenten tonen aan dat dit proces slechts een kleine rol speelt. Het breder worden van de straal wordt voornamelijk veroorzaakt doordat kleine wervelingen aan de rand van de turbulente stroming de stilstaande vloeistof beetje bij beetje "opeten". Dit proces wordt in het engels letterlijk "nibbling" dus "knabbelen" genoemd.
De nieuwe resultaten zijn niet alleen van belang voor het fundamentele turbulentie-onderzoek. Zo kunnen meteorologen in de toekomst beter begrijpen en voorspellen wat er gebeurt aan de rand van een cumuluswolk, en hoe de wolk groeit. Ook kunnen de nieuwe inzichten computersimulaties van turbulente stromingen, zoals de stroming rond een vliegtuigvleugel, nauwkeuriger maken. Volgens Westerweel worden er in computermodellen van turbulente stromingen vaak aannames gemaakt die niet volledig berusten op natuurkundige argumenten. "Nu we weten hoe de rand van een turbulent gebied er in werkelijkheid uitziet, kunnen we betere modellen maken", zegt Westerweel. Overigens voorziet hij discussies over deze resultaten: "Decennialang dachten wetenschappers dat turbulente gebieden groeien doordat grote wervels niet-turbulente gebieden omsluiten. Dat is in strijd met het idee dat een turbulent gebied groeit door middel van dit "knabbelen". Het is dan ook te verwachten dat deze resultaten tot heftige discussies zullen leiden."
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr.ir. J. Westerweel, telefoon: (015) 278 68 87.