Turbulentie in oceanen, in de atmosfeer of in de industrie is miljarden keren sterker dan in laboratoriumexperimenten. Alleen de labresultaten opschalen is geen optie. theoretisch, echter, er is een regime van turbulentie waarin schaalwetten van toepassing zijn. Onderzoekers van de Universiteit Twente zijn erin geslaagd dit 'asymptotische ultieme regime' van turbulentie te bereiken door ruwheid aan te brengen aan het oppervlak waar turbulente vloeistof stroomt. Ze presenteren hun bevindingen in Natuurfysica van 12 februari.

Een beter begrip van turbulentie is een van de grote uitdagingen van de natuurkunde. Turbulentie komt voor in industriële processen, de atmosfeer, en in stromen rond schepen of vliegtuigen. Reynolds-nummers, die de sterkte van turbulentie meten, in het lab niet op realistische schaal kan worden bereikt, en zijn veel lager dan in real-life processen. Bij het meten van warmtestroom in het laboratorium bij zwakkere turbulentie, de waarden kunnen niet zomaar worden geëxtrapoleerd naar de hogere Reynoldsgetallen in de natuur of de industrie. Er is, echter, een bekende theorie die meer onthult over oneindig hoge Reynoldsgetallen. Het dateert uit 1962. Volgens deze theorie van Robert Kraichnan, wie was de laatste assistent van Albert Einstein, er is een 'asymptotisch ultiem regime'. Bij dit regime opschaling is mogelijk. Nog beter, het regime kan nu worden bereikt bij de lage Reynoldsgetallen die in het laboratorium kunnen worden bereikt. Dit is een nieuwe en onmisbare schakel tussen theorie en praktijk.

grenslaag

De wetenschappers van de Physics of Fluid-groep van prof. Detlef Lohse veranderden de vloeistofstroom aan het oppervlak door ruwheid aan te brengen. Voor het meten van turbulente stroming, de groep creëerde een zogenaamde Twente Turbulent Taylor-Couette-opstelling, waarin turbulente stroming kan worden gegenereerd tussen twee cilinders die onafhankelijk van elkaar roteren. Bij lagere Reynoldsgetallen, de stroming dicht bij de wand is turbulent behalve de grenslaag, waar het nog steeds laminair is. Op weg naar hogere Reynoldsgetallen, de stroming als geheel zal turbulent zijn. Met de introductie van ribben aan de oppervlakte, de stroming aan de muur verandert drastisch, omstandigheden creëren die normaal alleen bij veel sterkere turbulentie zouden plaatsvinden. Simulaties door Ph.D. student Xiajue Zhu en experimenten van zijn collega Ruben Verschoof zijn hierin complementair. Het voordeel van simulaties is dat u gedetailleerde informatie krijgt over de stroomsnelheid op een bepaald punt, terwijl experimenten kunnen worden gedaan bij hogere Reynolds-getallen.

Dit is het resultaat van jarenlange simulatie en experimenten. Het simuleren van turbulente stroming vereist enorme rekenkracht. Een simulatie op een enkele computer zou 10 miljoen uur of 1140 jaar duren. De onderzoekers gebruikten daarom supercomputers in heel Europa, met 2000 processors parallel. De experimenten zijn even veeleisend en aan de uiterste grens:de Taylor-Couette-opstelling, de grootste en meest geavanceerde machine in zijn soort, heeft motoren die 20 kilowatt aan energie verbruiken, terwijl er 20 kW extra nodig is om de opstelling af te koelen.