Van druppel naar bel en turbulentie door schuurpapier

Een druppel die verdampt als hij omgeven wordt door bijvoorbeeld een gel, verandert in een bel van ongeveer dezelfde grootte. En de stroming langs een gekromd oppervlak dat glad is of voorzien van schuurpapier, leert ons meer over turbulentie onder verschillende omstandigheden. Twee heel verschillende onderwerpen uit de vloeistofdynamica kwamen afgelopen vrijdag samen bij de promoties van Myrthe Bruning en Pieter Berghout aan de Universiteit Twente.

Ze kennen elkaars werk zo goed dat de een bijna de verdediging van het proefschrift van de ander kan overnemen. Al zijn het twee heel verschillende deelgebieden van de vloeistoffysica.

Het werk van Bruning gaat over druppels die verdampen en deeltjes bevatten. Die deeltjes kunnen bijvoorbeeld chemicaliën zijn die je wilt analyseren. Omdat dit zeer kleine hoeveelheden zijn, worden tegelijk ook kleine metaaldeeltjes toegevoegd die het signaal versterken. Dankzij de verdamping krijg je de benodigde ordening voor de analyse, is het vernieuwende idee. Toch is dit niet de praktijk: het ‘koffievlek-effect' laat zien dat de deeltjes niet homogeen zijn verdeeld, maar een ring vormen. Toevoeging van een beetje zout kan die ringvorming tegengaan, blijkt uit het onderzoek van Bruning. Zo is toch een gestructureerd en homogeen oppervlak te maken met een heel nieuw type ordening.

Maar bij het onderzoek naar een 3D druppel die helemaal omgeven is door bijvoorbeeld een gel, bleek nog iets anders op te treden: als de druppel verdampt, gaat de gel vervormen - door vouwen of creasing. De druppel vervormt daardoor ook en op een gegeven moment treedt er cavitatie op: omdat de druk zo verlaagd is in de druppel, vormt er zich razendsnel een bel. Die heeft vrijwel dezelfde afmetingen als de oorspronkelijke druppel. Zitten er deeltjes in de druppel, dan treedt het effect zelfs nog eerder op.

In de natuur is zoiets ook waar te nemen, bij varenplanten die van vorm veranderen tijdens verdamping. De ruimten waarin hun sporen zich bevinden, vervormen zodat ook hier cavitatie optreedt. De sporen worden dan echt gelanceerd.

Ruwheid en kromming

Berghout heeft onderzoek gedaan naar turbulente stroming. De universiteit heeft een Taylor-Couette-opstelling met een dubbele cilinder, waarin turbulentie kan worden opgewekt door de cilinders snel te laten draaien. Recent wist men aan te tonen dat het aanbrengen van een structuur van ribbels, op de cilinder, ertoe kan leiden dat de turbulentie in een ander 'regime' komt. Berghout wilde weten wat er gebeurt met een ongestructureerde ruwheid zoals een oppervlak met zand of schuurpapier. Er is al het nodige bekend over stroming in een pijp, ook met een ruwheid. Toch heeft Berghout eerst een stap terug gedaan: weten we wel genoeg over de stroming langs een gladde, gekromde wand? Dit was nodig om de verschillende effecten uiteen te rafelen. De kromming leidt tot turbulentie, de wrijving ook: wanneer domineert welk effect, en wat betekent dit voor de invloed van ruwheid op de turbulente stroming?

Turbulentie bij oplopende snelheid van de cilinders

Uiteindelijk biedt daardoor zijn onderzoek meer inzicht in de turbulente stroming, vooral aan de grenslaag van een gekromde wand. Ruwheid geeft meer fluctuaties en wervelingen, ook op grotere afstand van de wand. De weerstand die dit tot gevolg heeft, is nu beter te voorspellen.

VWS en ASML

Bruning werkt inmiddels als beleidsmedewerker bij het Ministerie van VWS, Berghout als onderzoeker bij chipmachinefabrikant ASML.