Minder weerstand door belletjes alleen bij gladde scheepswand haalbaar
Het heeft geen enkele zin te proberen de weerstand voor schepen – en daardoor de brandstofkosten - te verminderen met behulp van luchtbelletjes als de scheepswand niet schoon en glad is. Ieder ruwe plek, veroorzaakt door bijvoorbeeld algenaangroei of roest, doet het effect volkomen teniet. Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente stelden dit vast in laboratoriumomstandigheden. Zij publiceren hun resultaten op 23 februari 2007 in het tijdschrift Physical Review Letters.
Dat een kleine hoeveelheid belletjes in een turbulente stroming de weerstand die een wand ondervindt in een stromende vloeistof tot wel vijftig procent vermindert, was al langer bekend. Dit is voor de scheepvaart van groot belang. Een schip met een ruwe wand vergt tot twintig keer zoveel energie als een schip met schone, gladde wanden. Laat men dan ook nog luchtbellen langs zo'n gladde wand stromen om de weerstand te verminderen, dan is er nog eens extra 50% aan energiebesparing te behalen. Tot nu toe was dat alleen in 'ideale' laboratoriumomstandigheden getest, dus met gladde wanden. Aangezien wanden in reële omstandigheden vrijwel altijd enigszins ruw zijn, wilden de onderzoekers ook weten of het weerstandsverminderende effect van bellen eveneens optreedt bij een ruwe wand.
Taylor-Couettesysteem
Dr.ir. Ramon van den Berg, student Dennis van Gils en prof.dr. Detlef Lohse (Physics of Fluids, UT) experimenteerden met bellen in een turbulente stroming in een zogenoemd Taylor-Couettesysteem, dat beschikbaar was gesteld door professor Dan Lathrop (Institute for Research in Electronics and Applied Physics, University of Maryland, V.S.).
Het Taylor-Couettesysteem bestaat uit twee cilinders: in een stilstaande buitenste cilinder bevindt zich een draaiende cilinder. In de ruimte tussen deze twee cilinders zit een vloeistof. De buitenste cilinder heeft een diameter van 45 centimeter en een hoogte van bijna 70 centimeter. Om de vloeistof tijdens de meting op een constante temperatuur te houden, hetgeen van cruciaal belang is voor de eigenschappen van de gebruikte vloeistof (zoals dichtheid en viscositeit), is er in de afsluitende gedeeltes boven en onder de cilinders een koelgedeelte ingebouwd. Hierdoor is de temperatuur tot op een tiende graad Celsius gelijk te houden en zijn de eigenschappen van de vloeistof over een meting nagenoeg constant. De binnenste cilinder, met een diameter van 32 centimeter, bestaat uit drie delen; het middelste deel is de feitelijke meetsectie. Een top- en een bodemdeel zijn nodig om de invloed van de boven- en de onderkant van de afgesloten opstelling op de meetsectie te verminderen. Het grote voordeel van deze opstelling ten opzichte van meer gebruikelijke opstellingen voor onderzoek naar turbulentie is het feit dat het een gesloten opstelling betreft.
Mate van turbulentie
De binnenste cilinder draait met een in te stellen snelheid. Met het instellen van deze snelheid wordt het getal van Reynolds bepaald. Dit dimensieloze getal bevat de stromingssnelheid in de teller en de kinematische viscositeit in de noemer. Overheerst de viscositeit, dan is het getal klein en de stroming laminair. Neemt de snelheid tot boven een bepaalde waarde toe, dan kan de viscositeit de ontstane verstoringen niet meer onderdrukken en wordt de stroming turbulent. Het getal van Reynolds is dan groot. Dit getal is dus een maat voor de graad van turbulentie van de stroming.
Ruwheid
De onderzoekers maten eerst de weerstand door de torsie op de meetsectie van de binnenste cilinder te bepalen. De torsie is de kracht die de vloeistof uitoefent op de cilinder bij een bepaalde rotatiesnelheid, de wrijving dus. Hoe hoger de snelheid, hoe meer kracht de vloeistof op de cilinder uitoefent en hoe meer de kracht van de vloeistof de cilinder 'tegenwerkt'. Omdat de Twentse onderzoekers met een gesloten systeem werken, is de torsie direct te relateren aan een maat voor de weerstand die de vloeistof uitoefent op de binnenste cilinder. Vervolgens werden onderin de buitenste cilinder bellen geïnjecteerd door middel van acht injectienaalden. De belletjes, die door de sterke stroming in de vloeistof slechts zo'n 1 millimeter in doorsnee waren, beïnvloeden de torsie die de vloeistof op de binnenste roterende cilinder uitoefent. Door het plaatsen van perspex strips, twaalf aan de binnencilinder en twaalf aan de buitenste cilinder werd een ruwheid geïntroduceerd. Hierdoor ontstonden er vier verschillende testmogelijkheden: gladde wanden zonder bellen, gladde wanden met bellen, ruwe wanden zonder bellen en ruwe wanden met bellen.
Zonder gladheid geen effect
De onderzoekers toonden aan dat ruwheid van cruciaal belang is voor weerstand. Zo bleek in een situatie zonder bellen de benodigde energie om hetzelfde getal van Reynolds te behalen bij ruwe wanden twintig keer zo hoog te zijn als bij gladde wanden. Dit grote effect is niet teniet te doen door het toevoegen van bellen, want in de situatie met ruwe wanden bleek er geen enkel effect van de bellen te bespeuren.
Wil weerstandsvermindering met behulp van luchtbelleninjectie toepassing vinden in de scheepspraktijk, dan zal eerst het probleem van aangekoekte wanden opgelost moeten worden. Dat zou bijvoorbeeld kunnen door het aanbrengen van de juiste coatings.
De titel van het artikel luidt Bubbly turbulent drag reduction in a boundary layer effect, door Thomas H. van den Berg, Dennis P.M. van Gils, Daniel P.Lathrop en Detlef Lohse. Het verschijnt in Physical Review Letters op 21 februari 2007 on-line en op 23 februari 2007 in druk.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met dr.ir. Ramon van den Berg (telefoon (053) 489 10 85) of Detlef Lohse (telefoon (053) 489 80 76).