Cavitatiebellen onder controle
Aan snel bewegende oppervlakken in een vloeistof vormen zich luchtbellen die vrijwel meteen na ontstaan weer in elkaar klappen. De energie daaruit is bijvoorbeeld een bron van schade aan scheepsschroeven. Inklappende gasbelletjes worden ook toegepast om nierstenen te vergruizen en oppervlakken met ultrageluid schoon te maken. Dit zogeheten cavitatieproces is heel lastig te beheersen. Onderzoekers van de Universiteit Twente en de Stichting FOM hebben nu een systeem ontwikkeld waarin ze voor het eerst in het laboratorium cavitatie gecontroleerd kunnen laten verlopen. Ze publiceren hun bevindingen in de eerste week van juni in de Physical Review Letters.
Aan de romp van varende schepen, op draaiende schroefbladen en aan andere oppervlakken die heel snel door een vloeistof bewegen zien we vaak wolken van gasbellen. Die ontstaan doordat de snelle beweging onderdruk opwekt waardoor in de vloeistof opgelost gas bellen kan vormen. Als de druk weer gewoon is, klappen die bellen in elkaar. Bij dit cavitatieproces komt zoveel energie vrij dat cavitatiebellen een beruchte bron van schade aan bijvoorbeeld schroefbladen zijn. De bellenwolken zijn een chaotisch geheel van zich vormende en inklappende bellen die ook elkaars gedrag beïnvloeden. Het gedrag van een afzonderlijke bel laat zich inmiddels wel goed beschrijven, maar zo'n wolk is experimenteel heel lastig te onderzoeken. Daar hebben onderzoekers bij de Universiteit Twente nu verandering in gebracht.
Cavitatiebellen op bestelling
Nicolas Bremond, Manish Arora (FOM-oio), Claus-Dieter Ohl en Detlef Lohse (allen verbonden aan de Universiteit Twente) hebben een experimenteel systeem ontwikkeld waarin ze uitstekend reproduceerbaar luchtbelletjes aan een oppervlak onder water kunnen laten ontstaan en hun ontwikkeling met behulp van een hoge-snelheidscamera kunnen volgen. Collega's van het instituut MESA+ in Twente leverden plaatjes silicium (van 3 bij 5 millimeter) waarin ze in een zeshoekig patroon 37 gaatjes met een doorsnede van 4 micrometer en een diepte van 15 micrometer op onderlinge afstanden van 200 micrometer etsten. Lohse en zijn medewerkers brachten op die plaatjes een waterafstotende coating aan. Vervolgens stoppen ze zo'n plaatje in een tank met één liter water dat een temperatuur van ongeveer 20 graden Celsius heeft en verzadigd is met gas. Met behulp van een piezo-elektrische geleider veroorzaken ze in de tank een elektrische ontlading en die wekt een schokgolf op. Waar die schokgolf passeert, stijgt de waterdruk eerst even, om vervolgens te dalen. Op dat moment gaat het gas dat in de gaatjes op het plaatje zit, uitzetten. De gasbellen bereiken na zo'n 10 microseconden hun maximum. Daarna beginnen ze in het zeshoekige patroon van buiten naar binnen in elkaar te klappen. Op de beelden die de onderzoekers van dit proces maken, is te zien dat de bellen tijdens het inklappen in de richting van het midden vervormen. Er ontstaat een soort stroming naar het midden van het plaatje.
Het systeem werkt zo goed dat de onderzoekers elke stap in dit proces naar willekeur kunnen afbeelden door de camera op het juiste moment na het passeren van de schokgolf te starten. Met een hydrodynamisch model dat de onderzoekers hebben opgesteld blijken de maximale afmeting van de bellen, hun levensduur en de volgorde waarin ze inklappen in goede overeenstemming met de waarnemingen beschreven te kunnen worden. Hiermee kan voor het eerst het cavitatiegedrag van een aantal bellen tegelijk en hun invloed op elkaar worden bestudeerd.
Op naar realistische omstandigheden
De Twentse experimenten zijn de opstap naar onderzoek aan zich vormende en inklappende gasbellen aan oppervlakken onder omstandigheden zoals die zich in de werkelijkheid voordoen. Daar vormen oneffenheden op oppervlakken en in de vloeistof zwevende microdeeltjes de 'kern' waarop luchtbellen ontstaan. In de werkelijkheid zijn er natuurlijk nooit van die mooie regelmatige patronen als in het modelsysteem dat de onderzoekers hebben ontwikkeld. Ze werken daarom nu aan een systeem waarin bellen dicht bij elkaar kunnen zitten en zelfs samenvloeien. Eerste resultaten daarvan zullen ze later dit jaar publiceren.
Een betere beschrijving van de wisselwerking tussen zich vormende en inklappende gasbellen in een vloeistof en experimentele mogelijkheden om dit gedrag in het laboratorium te kunnen bestuderen, is voor tal van terreinen van belang. Cavitatie van gasbellen wordt bijvoorbeeld toegepast bij het vergruizen van nierstenen en het schoonmaken van oppervlakken met ultrageluid. Het speelt een grote rol bij scheepsschroeven. Het gedrag van de bellen lijkt ook op wat er bij koken van een vloeistof gebeurt. In al deze gevallen is het beheersen van het cavitatieproces van praktisch belang. Het proces hoeft niet per se beheerst te worden bij het ontkurken van een fles champagne: ook daar speelt dit gedrag van gasbellen een grote rol.
Omdat het proces volledig reproduceerbaar blijkt, leveren de beeldjes uit de opeenvolgende experimenten samen het idee van een filmpje (zie bijlage) op.
Meer informatie bij prof.dr. Detlef Lohse, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 80 76.