Succes voor granulaire hydrodynamica: convectie door vloeistofvergelijkingen beschreven
Thermische convectie treedt niet alleen op in gassen en vloeistoffen maar ook in granulaire (korrelvormige) materie. En dat is niet het enige nieuws. In samenwerking met de universiteiten van Patras en Bangalore hebben onderzoekers van de Physics of Fluids groep aan de Universiteit Twente en de Stichting FOM recent aangetoond dat ook de granulaire convectierollen uitstekend door vloeistofvergelijkingen beschreven kunnen worden. Dit is een opmerkelijk succes voor de granulaire hydrodynamica. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 22 januari in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters.
Thermische convectie is een bekend verschijnsel. Als men een pannetje water op het vuur zet wordt de vloeistof aan de onderkant verwarmd, krijgt een lagere dichtheid dan de omringende vloeistof en wil daardoor opstijgen. Als gevolg hiervan ontstaan convectierollen in de vloeistof, een fenomeen dat bekend staat als Rayleigh-Bénard convectie.
Een zeer vergelijkbaar verschijnsel treedt op als granulaire materie met kracht geschud wordt in een container: er ontstaat dan een dicht opeengepakte laag granulaire vloeistof die als het ware drijft op een laag granulair gas (figuur 1a). Dit gas bestaat uit een relatief klein aantal, heftig bewegende kogeltjes die de trage deeltjes in de vloeistoffase omhoog stuwen. Net als in het water heeft de onderlaag een lagere dichtheid dan de bovenlaag. En als men de mate waarin de deeltjes bewegen vertaalt in een (granulaire) temperatuur is deze ook hier onder hoger dan boven.
Door de schudsterkte iets te verhogen gaan de kogeltjes in de gasfase nog harder bewegen (ze worden nog warmer) en wordt het gas plaatselijk zo ijl dat het door de vloeistoflaag heen begint te breken (figuur 1c). Als men iets langer wacht ontstaan er zo convectierollen in het hele systeem die heel sterk aan de Rayleigh-Bénard rollen in een moleculaire vloeistof doen denken.
De onderzoekers in Twente laten het niet bij de waarneming van dit opmerkelijke fenomeen, maar beschrijven het zelfs met vloeistofvergelijkingen die vrijwel identiek zijn aan die waarmee ook de Rayleigh-Bénard convectie wordt beschreven: het grootste verschil wordt gevormd door een extra term die het energieverlies ten gevolge van de inelastische botsingen in rekening brengt. De onderzoekers vinden zeer goede overeenstemming tussen hun theorie, de experimenten en deeltjessimulaties, een opmerkelijk succes voor de granulaire hydrodynamica.
Informatie
Wilt u meer informatie over dit onderzoek? Neem dan contact op met Devaraj van der Meer (053) 489 23 87, of Detlef Lohse.
Referentie
Peter Eshuis, Devaraj van der Meer, Meheboob Alam, Henk Jan van Gerner, Ko van der Weele en Detlef Lohse, Onset of Convection in Strongly Shaken Granular Matter, Phys. Rev. Lett. 104, 038001 (2010).