Fysici in Twente bestuderen turbulente stromingen in een gesloten systeem. Hun onderzoek brengt een betere modellering van deze stromingen binnen het bereik, wat van pas komt bij onderzoek aan vloeibaar gesteente in het binnenste van de aarde, gasstromen rondom zwarte gaten en water dat zich langs scheepsschroeven verplaatst.
Een vloeistof die rustig en gelijkmatig stroomt kunnen natuurkundigen uitstekend begrijpen, maar als door verstoringen de stromingen turbulent worden, lijkt het gedrag onvoorspelbaar. Hoogleraar Detlef Lohse en zijn team aan de Universiteit Twente beschrijven in Physical Review Letters een gesloten systeem met een vrijwel turbulente stroming. Het blijkt dat de turbulentie zich aan een voorspelde schaalwet houdt en dat maakt modellering van turbulente stromingen gemakkelijker.
Het systeem bestaat uit twee concentrische cilinders, waarvan de buitenste van glas is. Als de binnenste cilinder draait, draagt die vanwege wrijving energie over van de wand op de vloeistof. Als de cilinder langzaam draait, beweegt de vloeistof gelijkmatig en ontstaat er een regelmatige, gelaagde stroming. Bij sneller draaien van de binnenste cilinder ontstaat door centrifugale krachten turbulentie. Laserpulsen maken aan de vloeistof toegevoegde deeltjes zichtbaar en hogesnelheidscamera’s brengen daarmee de complexe stromingen in beeld.
Torsie
In dit systeem is het zogeheten Taylorgetal een maat voor het ontstaan van turbulentie. Met een voldoende groot Taylorgetal is de vloeistof in zijn geheel turbulent. Een maat voor turbulentie zelf is het Reynoldsgetal. Als dat groot is, bestaat er volgens het onderzoek een constante verhouding tussen de twee getallen, iets dat overeenkomt met theoretische voorspellingen die Lohse en zijn collega Siegfried Grossmann eerder hebben gedaan. Er is dan dus een directie relatie tussen de torsie die de draaiende binnencilinder uitoefent op de vloeistof en de gemiddelde omzetting van beweging in warmte van de vloeistof. Dat geldt voor minuscule systemen, maar ook op grote ruimte- en tijdschalen.
Onderzoekers in Göttingen tonen in Physical Review Letters een ander experiment, waarbij ze de toestand van volledige turbulentie benaderen in een cilinder die aan de onderkant wordt verwarmd. De twee onderzoeken vullen elkaar aan en de uitkomsten moeten nu leiden tot betrouwbaarder formules in computermodellen van turbulente stromingen. De grenzen zijn verlegd, maar Lohse is nog niet tevreden, de toestand van ultieme turbulentie is nog niet volledig begrepen: ‘Er is nog werk aan de winkel!’.
