Turbulentie beter schaalbaar dankzij ribbels (video)

Turbulentie in oceanen, luchtstromen, of 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 hebben dit ‘asymptotisch ultieme regime’ van turbulentie bereikt door ribbels aan te brengen op een oppervlak waarlangs turbulente vloeistof stroomt.

Het asymptotisch ultieme regime, in 1962 geformuleerd door Robert Kraichnan, blijkt nu ook bereikbaar te zijn bij de Reynoldsgetallen die haalbaar zijn in het lab en met simulaties. Dit bereiken de onderzoekers door het oppervlak te verruwen. Hiermee verandert 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.

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.