Gas gedraagt zich bij thermisch gedreven turbulentie anders dan vloeistof
Twentse en Amerikaanse onderzoekers hebben ontdekt dat gas zich in geval van turbulente convectie anders gedraagt dan vloeistof. Turbulente convectie is stroming die door een temperatuursverschil aangedreven wordt. De bevinding is verrassend omdat natuurkundestudenten in hun eerste jaar leren dat turbulentie universeel is en dat het alleen op de dimensieloze kengetallen aankomt. Wat de onderzoekers nu vinden is dat bij een heel groot temperatuurverschil bij gas de temperatuur in het midden van het vat waar de convectie plaatsvindt daalt en de warmtegeleiding toeneemt. Bij vloeistof is het precies andersom. Bij grote temperatuursverschillen is het gedrag van turbulentie kennelijk niet universeel. Dat speelt bijvoorbeeld in de mantel van de aarde. De onderzoekers Detlef Lohse (Universiteit Twente) en FOM-promovendus Francisco Fontenele Araujo publiceren hun bevindingen op 2 februari 2007 in Physical Review Letters.
Door verhitting stijgt een luchtballon omhoog. Ook water in een afgesloten vat stijgt na plaatselijke verhitting als een bel of pluim omhoog. Door afkoeling bovenin daalt zo'n pluim. Daarna wordt hij weer warmer, stijgt opnieuw en zo ontstaat er een zogenoemde convectierol. Dit heet turbulente Rayleigh-Bénard-convectie en het is een belangrijk modelsysteem in de vloeistofdynamica.
Fontenele Aurajo en Lohse stelden onlangs door theoretische berekeningen te vergelijken met experimentele metingen vast dat ook zogenoemde Non-Oberbeck-Boussinesq-effecten (NOB's) significant van invloed zijn op het gedrag van de convectie. Deze term verwijst naar de manier waarop turbulente convectie gewoonlijk geanalyseerd wordt volgens de benadering van de onderzoekers Oberbeck en Boussinesq (OB). Daarbij wordt aangenomen dat alle vloeistofeigenschappen in een vat constant zijn, behalve dichtheid, want bij toename van de temperatuur neemt de dichtheid van water (boven 4 graden Celsius) of gas af. Bij NOB-effecten zijn de eigenschappen van water en gas niet constant. Onder invloed van temperatuur veranderen ze.
Opmerkelijk verschil tussen vloeistof en gas
Metingen van NOB-effecten in turbulente Rayleigh-Bénard-convectie zijn niet nieuw, maar pas onlangs voerden Lohse en zijn medewerkers voor het eerst een kwantitatieve vergelijking uit tussen OB- en NOB-convectie. Het onderzoek beperkte zich tot NOB-effecten in vloeistof, zoals water en glycerol. Lohse en collega's constateerden een toename van de middentemperatuur en een afname van de warmtegeleiding.
Nog spannender vonden de wetenschappers het om te onderzoeken wat er bij gas gebeurt, omdat dan ook de dichtheid afhankelijk is van temperatuur, waardoor een dichtheidsgrenslaag ontstaat. Bovendien zijn verschillende eigenschappen, zoals viscositeit, expansie en diffusie zowel van temperatuur als van dichtheid afhankelijk.
Zij onderzochten de NOB-effecten voor turbulente Rayleigh-Bénard-convectie van het gas ethaan, onder druk. Ook in dit onderzoek combineerden zij nieuwe theoretische berekeningen met in een vat uitgevoerde experimentele metingen. Nu vonden de onderzoekers een daling van de middentemperatuur, vergeleken met de gemiddelde top- en bodemtemperatuur en een toename van de effectieve warmtegeleiding. Niet alleen is dit effect omgekeerd aan dat voor NOB-convectie in vloeistof, het is ook groter.
Dit betekent dat bij grote temperatuursverschillen de NOB-effecten in berekeningen verdisconteerd moeten worden. Omstandigheden waarvoor dit geldt treden bijvoorbeeld op in de mantel van de aarde. Turbulenties in de mantel moeten nu dus beter gemodelleerd kunnen worden.
Vrucht van brainstormen
Belangrijk bij dit onderzoek was de wisselwerking tussen theorie (UT) en praktijk (University of California, Santa Barbara, VS). De kiem werd gelegd tijdens een van de, door FOM medegefinancierde, workshops die het Lorentz Centrum in Leiden regelmatig organiseert voor natuurkundig onderzoekers uit de hele wereld. Zij hebben daar volop de gelegenheid om te discussiëren en creatieve ideeën te spuien, waar vervolgens heel vaak leuk onderzoek uit voortkomt wat in dit geval tot de publicatie in Physical Review Letters geleid heeft.
Meer informatie bij prof.dr. Detlef Lohse, telefoon (053) 489 24 70 of
drs. Francisco Fontenele Araujo, telefoon (053) 489 46 82.
Het artikel is getiteld: 'Non-Oberbeck-Boussinesq effects in gaseous Rayleigh-Bénard convection'; het verschijnt in Physical Review Letters op 2 februari 2007. De auteurs zijn Guenter Ahlers, Francisco Fontenele Araujo, Denis Funfschilling, Siegfried Grossmann en Detlef Lohse.
Filmpjes van modelberekeningen en waarnemingen van turbulente convectie zijn bijvoorbeeld te zien op de website van oud-FOM-onderzoeker Federico Toschi:
http://www.iac.rm.cnr.it/~toschi/
en op:
http://www.ipgp.jussieu.fr/~labrosse/movies.html
(met name het eerste filmpje)