Turbulentie beter schaalbaar dankzij ribbels

Onderzoekers tonen 'missing link' theorie en praktijk aan

13 februari 2018

Turbulentie in oceanen, in luchtstromen of in de industrie is al snel miljarden malen sterker dan je in een lab kunt bereiken. De experimenten in het lab laten zich niet eenvoudig opschalen. Toch is er een, tot nu toe theoretisch, regime waarin dat wél kan. Onderzoekers van de Universiteit Twente zijn erin geslaagd, dit ‘asymptotisch ultieme regime’ van turbulentie te bereiken. Dat doen ze door ribbels aan te brengen op een oppervlak waarlangs turbulente vloeistof stroomt. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Nature Physics van 12 februari.

Een beter begrip van turbulentie is een van de grote uitdagingen in de natuurkunde. Turbulentie is overal: in industriële processen, in de atmosfeer, in de stroming rondom een schip of vliegtuig. Het Reynoldsgetal – maat voor de sterkte van turbulentie – dat in het lab haalbaar is, is veel kleiner dan in dit soort processen. Meting van, bijvoorbeeld, het warmtetransport bij deze zwakkere turbulentie, is niet zomaar te extrapoleren naar de hogere Reynoldsgetallen in praktische situaties. Er is echter een theorie die iets zegt over oneindig hoge Reynoldsgetallen. Deze theorie is al in 1962 geformuleerd door Robert Kraichnan, de laatste assistent van Albert Einstein. De Kraichnan-theorie heeft altijd veel discussie opgeleverd. Het mooie aan zijn 'asymptotisch ultieme regime' is dat opschalen dan opeens wél eenvoudig wordt. Nog mooier: dit regime blijkt nu ook bereikbaar te zijn bij de Reynoldsgetallen die haalbaar zijn in het lab en met simulaties. Dit is een nieuwe en onmisbare schakel tussen theorie en praktijk.

Stroming aan de wand

Dit bereiken de onderzoekers, uit de groep Physics of Fluids van prof Detlef Lohse, door het aanbrengen van oppervlakteruwheid. Ze veranderen daarmee de stroming aan het oppervlak. Metingen hiervan zijn gedaan in de krachtige 'Twente Turbulent Taylor-Couette' opstelling, waarin turbulente stroming wordt opgewekt tussen twee cilinders die onafhankelijk van elkaar kunnen roteren. De stroming dichtbij de wand is heel interessant: er is een gebied waarin de vloeistof al turbulent voortbeweegt, behálve aan de wand, waar de vloeistof nog netjes parallel aan de wand stroomt. Bij hogere Reynoldsgetallen verandert dit, dan is alle stroming turbulent. Door ribbels aan te brengen, veranderen de onderzoekers de wrijving van de wand drastisch, ze krijgen daarmee een situatie die normaal alleen bij zeer hoge Reynoldsgetallen is te bereiken. Simulaties, door promovendus Xiaojue Zhu en experimenten, door zijn collega Ruben Verschoof, vullen elkaar daarin uitstekend aan. Simulaties hebben als groot voordeel dat ze veel details geven over de stroming, met experimenten zijn hogere Reynoldsgetallen haalbaar.

Turbulente stroming tussen twee cilindersAfbeelding: Turbulente stroming tussen twee cilinders (Taylor-Couette): links is zij- en bovenaanzicht zonder oppervlakteruwheid, rechts mét ruwheid (ribbels). De stroming aan het oppervlak verandert drastisch door de ingreep, en daarmee de hele stroming tussen de twee cilinders.

Rekenkracht en motorvermogen

Deze beslissende stap is het resultaat van jarenlang meten en simuleren. Er is veel rekenkracht voor nodig: op een enkele computer zouden de simulaties 10 miljoen uur vergen. Daarom heeft zijn krachtige supercomputers in heel Europa ingezet, waar de berekeningen op 2000 processoren tegelijk waren uit te voeren. Ook de experimenten zijn veeleisend en grenzen aan wat haalbaar is: de Taylor-Couette opstelling is de grootste en meest geavanceerde in zijn soort, de motoren gebruiken tot 20 kiloWatt, en er is ook nog een 20 kilowatt nodig om het systeem te koelen.

De krachtige Twente Turbulent Taylor-Couette opstelling, in eigen huis ontwikkeld en gebouwd, voor experimenten met turbulente vloeistofstroming.

Het onderzoek was mogelijk dankzij het Netherlands Center for Multiscale Catalytic Energy Conversion (MCEC), een programma van tien jaar waarin de groep van Detlef Lohse participeert. Ook NWO (voormalige stichtingen FOM en STW) hebben bijgedragen aan het onderzoek.

Het paper ‘Wall roughness induces asymptotic ultimate turbulence, door Xiaojue Zhu, Ruben Verschoof, Dennis Bakhuis, Sander Huisman, Roberto Verzicco, Chao Sun en Detlef Lohse, verschijnt op 12 februari in Nature Physics.

Bron: Universiteit Twente