dr. Usama Kadri

Technologiestichting STW

In september 2005 begon Kadri met zijn onderzoek naar slugs – turbulente mengelingen van vloeistof en gas, die kunnen ontstaan bij het transport van vloeistof en gas in horizontale pijpleidingen. Vooral in de gas- en olie-industrie is het een berucht fenomeen. Er was vrijwel niets over het ontstaan van lange slugs bekend, en ook niet hoe je ze kunt voorspellen of voorkomen. Kadri: “Uit de praktijk zijn relatief korte slugs bekend, die zijn wel op te vangen. Maar bij oudere gas- en olievelden met lagere operatiedrukken neemt de kans op lange slugs toe. Deze kunnen een lengte van enkele honderden buisdiameters bereiken, kunnen voor gevaarlijke drukfluctuaties zorgen en problemen opleveren bij het scheiden van vloeistof en gas.”

Kadri kreeg de opdracht uit te zoeken wat precies slugs zijn, hoe ze in lengte toenemen, hoe ze zich kunnen formeren, wat hun precieze karakteristieken zijn – en natuurlijk: hoe je ze kunt voorkomen. Kadri: “Ik heb me eerst een half jaar ingelezen, en kwam een paar fantastische artikelen tegen van Thomas J. Hanratty. Die deed sinds de jaren vijftig in Amerika fundamenteel onderzoek naar turbulenties. Hij was inmiddels gepensioneerd, maar ik schreef hem een e-mail, en kreeg onmiddellijk antwoord. Dat was fantastisch!”

Kadri kon met Hanratty van gedachten wisselen over diens grootste verdienste, namelijk het vinden van een aantal eenvoudige vergelijkingen voor complexe turbulentieverschijnselen. Kadri: “Als parameters neem je in die vergelijkingen de golflengte, de stromingssnelheid in de slug en in die van diens omgeving, de diameter van de buis, en de druk.”

Filosofische vraagstukken

Kadri begon met het opstellen van een theoretisch model van gelaagde stromingen met rolgolven. Het model beschrijft de verplaatsing van de top van een lange golf in axiale en opwaartse richting. Als de top van de golf tegen de bovenkant van de pijp klotst, zo liet het model zien, vormt zich een slug. Als de axiale snelheid zo hoog is dat de top het eind van de golf stroomafwaarts bereikt, dan ontstaan rolgolven. Het model gaf inzicht in de stromingssituatie vlak voor de vorming van een slug.

Technologiestichting STW

Kadri: “Ik dook diep in de details, en wilde alles zo eenvoudig mogelijk wiskundig oplossen. Daardoor rolde ik van het ene interessante probleem in het andere. Op het laatst stond ik voor grote, onoplosbare filosofische vraagstukken, waarbij de kwantummechanica en relativiteitstheorie om de hoek kwamen kijken. Op zich uitermate fascinerend, dat je steeds gedetailleerder naar de natuur kunt kijken, en dan gaat begrijpen hoe weinig je eigenlijk van de onderliggende natuurwetten begrijpt, maar ja, uiteindelijk moet je je promotie ook af zien te ronden.”

Dat was het moment waarop Kadri drie maanden het lab in dook. “We hadden een lange, bijna horizontaal opgestelde, cirkelvormige pijp, waarin we water lieten rondpompen. Ik had het geluk dat alle technici voor mijn onderzoek beschikbaar waren: ik vertelde hoe ik het wilde hebben, en zij maakten het voor me.” Aan het begin van de buis kwam een automatisch aangestuurd ventiel te zitten, waarmee gecontroleerd lucht kon worden binnengelaten. Het bleek dat de frequentie waarmee het ventiel open- en dichtging, en de hoek van het ventiel ten opzichte van de buis, bepaalde of en hoe er slugs ontstonden. Van ’s ochtends vroeg tot ’s avonds laat werd iedere dag het ventiel met wisselende frequenties (van 0.1 tot 90 hertz in 300 stappen) in een geautomatiseerde meetopstelling open- en dichtgedaan.

Usama Kadri met pulserend luchtventiel, dat lange slugs voorkomt.

Technologiestichting STW

Paradoxaal inzicht

Kadri: “Ik heb het werk van een jaar in drie maanden uitgevoerd! Maar het was de moeite waard. Want het bleek dat tussen 7 and 20 hertz de lengte van de slugs drastisch wordt verkleind. En dat voerde naar het mooiste resultaat van mijn onderzoek: namelijk, het paradoxale inzicht dat als je lange slugs wilt vermijden, je actief korte slugs moet gaan opwekken. Als je dat doet, houd je de boel goed onder controle.”

Inmiddels is Kadri terug naar Israël. Hij werkt nu aan de Universiteit van Haifa aan een ander soort stromingsleer: onderzoek naar de golfvergelijkingen en theoretische oplossingen voor stromingspatronen in oceanen. Die berekeningen kunnen worden gebruikt voor het ontwikkelen van een systeem waarmee zich tsunami’s laten voorspellen.

Kadri: “Het is theoretisch werk, waarbij ik veel van de theorie uit mijn proefschrift kan gebruiken. Een oceaan is in principe een heel grote pijp: je hebt te maken met druk, stromingssnelheid enzovoort. Ik wilde graag de theoretische kant op. Want ook al heb ik veel respect voor de mensen van de olie- en gasindustrie: nu kan ik eraan meewerken een systeem te maken dat veel vroeger alarm kan slaan in geval van een tsunami. Daarmee is het leven van duizenden mensen gemoeid.”

Het promotieonderzoek van Usama Kadri is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van de Technologiestichting STW.