Of het nu gaat om hartgeruis en pijpleidingtransport van olie, of hobbelige vliegtuigen en de verspreiding van verontreinigende stoffen, turbulentie speelt een belangrijke rol bij veel alledaagse gebeurtenissen. Maar ondanks dat het alledaags is, wetenschappers begrijpen het schijnbaar onvoorspelbare gedrag van de wervelingen en wervelingen in turbulente stromingen nog steeds niet helemaal.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe techniek voor het meten van turbulente stromingen is ontwikkeld door een internationale samenwerking van wetenschappers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) in Japan, samen met de Universiteit van Genua, Italië, KTH Stockholm, Zweden en ETH Zürich, Zwitserland. Door vezels te gebruiken in plaats van deeltjes - de gebruikelijke meetmethode - konden de onderzoekers een gedetailleerder beeld krijgen van turbulente stromingen. Hun methode werd op 17 september gerapporteerd in het tijdschrift, Fysieke beoordeling X .

"Turbulentie is een zeer uniek en gecompliceerd fenomeen, het wordt zelfs het laatste onopgeloste probleem in de klassieke natuurkunde genoemd, " zei Dr. Stefano Olivieri, een postdoctoraal onderzoeker van de Complex Fluids and Flows Unit van OIST, wie de auteur van de studie was. "Het is moeilijk te voorspellen, moeilijk te simuleren, en moeilijk te meten."

Het meten van turbulente stromingen is om verschillende redenen een dringende uitdaging voor natuurkundigen. Niet alleen wordt turbulentie gekenmerkt door zijn chaotische en willekeurige karakter, maar het komt ook voor op vele schalen tegelijk. Bij turbulente stromingen de wervelende wervelingen van vloeistof vallen uiteen in wervelingen die steeds kleiner worden, totdat uiteindelijk de wervelingen zo klein en stroperig zijn dat de kinetische energie van de vloeistof als warmte aan de omgeving wordt overgedragen.

Momenteel, de meest gebruikelijke manier om turbulente stromingen te meten is door de beweging van deeltjes te volgen, spoorzoekers genoemd, die aan de vloeistof worden toegevoegd. Deze deeltjes zijn klein en hebben een vergelijkbare dichtheid als de vloeistof, en zo bewegen met dezelfde snelheid en in dezelfde richting als de stroom.

Maar om te zien hoe elke werveling van vloeistof beweegt, kijken naar hoe één deeltje beweegt is niet genoeg. Natuurkundigen moeten kunnen bepalen hoe twee deeltjes die op een bepaalde afstand van elkaar staan, zich ten opzichte van elkaar bewegen. Hoe kleiner de werveling, hoe dichter de twee deeltjes bij elkaar moeten zijn om de beweging van de vortex te karakteriseren.

Om de zaken uitdagender te maken, een van de bepalende kenmerken van turbulentie is de diffusiviteit - een turbulente stroming zal zich in de loop van de tijd uit elkaar verspreiden, en zo ook de tracers, vooral in open stromen, als een oceaanstroom. Vaak, tracers kunnen zich snel te ver uit elkaar verspreiden om te meten hoe de draaikolken zich gedragen.

"Elk tracerdeeltje beweegt onafhankelijk van elkaar, dus je hebt veel tracerdeeltjes nodig om die op de juiste afstand van elkaar te vinden, " verklaarde professor Marco Rosti, die de OIST Complex Fluids and Flows Unit leidt.

"En te veel tracerdeeltjes kunnen de stroom zelfs verstoren, " hij voegde toe.

Om dit probleem te omzeilen, het onderzoeksteam ontwikkelde een innovatieve en gemakkelijke oplossing voor het probleem:vezels gebruiken in plaats van tracerdeeltjes.

De onderzoekers maakten een computersimulatie waarbij vezels van verschillende lengtes werden toegevoegd aan een turbulente stroming. Deze vezels waren stijf, die de uiteinden van elke vezel op een vaste afstand van elkaar hield. Door te volgen hoe elke vezel in de loop van de tijd in de vloeistof bewoog en roteerde, de onderzoekers konden een beeld opbouwen dat de volledige schaal en structuur van de turbulente stroming omvatte.

"Door stijve vezels te gebruiken, we kunnen het verschil in snelheid en richting van de stroming meten op twee punten op een vaste afstand van elkaar, en we kunnen zien hoe deze verschillen veranderen afhankelijk van de schaal van de werveling. Met de kortste vezels konden we ook nauwkeurig de snelheid meten waarmee de kinetische energie van de vloeistof wordt overgedragen van de grootste naar de kleinste schalen, waar het vervolgens door warmte wordt afgevoerd. deze waarde, de energiedissipatiesnelheid genoemd, is een cruciale grootheid bij de karakterisering van turbulente stromingen, " zei prof. Rosti.

Hetzelfde experiment deden de onderzoekers ook in het laboratorium. Ze vervaardigden twee verschillende vezels, een gemaakt van nylon en de andere van een polymeer genaamd polydimethylsiloxaan. Het team testte beide vezels door ze toe te voegen aan een watertank met turbulent water en ontdekte dat de vezels vergelijkbare resultaten gaven als de simulatie.

Echter, het gebruik van stijve vezels heeft een belangrijk voorbehoud, benadrukten de wetenschappers, aangezien de totale beweging van de vezeluiteinden beperkt is.

"Vanwege de vezelstijfheid, de vezeluiteinden kunnen niet naar elkaar toe bewegen, zelfs als dat de richting van de stroom is. Dat betekent dat een vezel de beweging van de stroming niet volledig kan weergeven op dezelfde manier als tracerdeeltjes, " legde Dr. Olivieri uit. "Dus voordat we zelfs maar begonnen met simulaties of laboratoriumexperimenten, we moesten eerst een geschikte theorie ontwikkelen die rekening hield met deze bewegingsbeperkingen. Dit was misschien wel het meest uitdagende deel van het project."

De onderzoekers maten dezelfde turbulente stroming ook in het laboratorium op de conventionele manier, door een hoge concentratie aan tracerdeeltjes toe te voegen aan de watertank. De resultaten van de twee verschillende methoden waren vergelijkbaar, verifiëren dat de vezelmethode en de nieuw ontwikkelde theorie nauwkeurige informatie gaven.

Vooruit gaan, de onderzoekers hopen hun methode uit te breiden met flexibele vezels die minder beperkingen hebben op hoe ze bewegen. Ze zijn ook van plan een theorie te ontwikkelen die kan helpen bij het meten van turbulentie in complexere niet-Newtoniaanse vloeistoffen die zich anders gedragen dan water of lucht.

"Deze nieuwe techniek heeft veel opwindend potentieel, speciaal voor wetenschappers die turbulentie bestuderen in grote, open stromen als oceaanstromingen, " zei prof. Rosti. "En omdat we gemakkelijk hoeveelheden kunnen meten die voorheen moeilijk te verkrijgen waren, komen we een stap dichter bij een volledig begrip van turbulentie."