Je leest:

Op zoek naar de essentie van turbulentie

Op zoek naar de essentie van turbulentie

Auteur: | 15 september 2003

Bij onderzoek naar turbulentie in superfluïde helium-3 hebben wetenschappers, onder andere van de Universiteit Leiden, een mogelijkheid ontdekt om het ontstaan van turbulente stromingen tot in detail te bestuderen. Misschien dat daarmee – eindelijk – de essentie van turbulentie is te achterhalen.

Turbulentie is een van de lastigste natuurkundige verschijnselen die we kennen. De natuur zit er vol mee: van onze bloedbaan tot melkwegstelsels en van het kopje thee waar we in roeren tot de dampkring boven ons hoofd. Turbulentie zorgt er voor dat vloeistoffen en gassen goed mengen, maar kan ook vliegtuigen doen neerstorten. Geen wonder dat wetenschappers en technologen graag meer van turbulentie willen weten.

Maar er is weten en weten. Het onderzoek dat door de jaren heen is verricht, heeft turbulentie in zeker zin ‘hanteerbaar’ gemaakt. Er is tot op de dag van vandaag geen theorie die turbulentie tot in detail goed beschrijft en waarmee echt te verklaren is waarom turbulentie ontstaat.

Atmosferische turbulentie in een onweersbui.

Reynolds getal

De Engelse wetenschapper en technoloog Osborne Reynolds deed al in de jaren tachtig van de negentiende eeuw onderzoek naar stroming in buizen en pijpen. Zijn ‘Reynolds getal’ is een – ook nu nog – veelgebruikte parameter om aan te geven wanneer een rustige, laminaire stroming kan overgaan in een wervelende, turbulente stroming. De omslag vindt plaats als de combinatie van snelheid en de afmeting van het systeem de viscositeit overtreffen.

Probeer het maar eens: draai de kraan in de badkamer een beetje open en er komt een mooi gelijkmatig stromend straaltje water uit. De zogeheten kinematische viscositeit van het water dempt alle verstoringen die in de waterstraal ontstaan, meteen weer uit. Draai de kraan verder open en de waterstroom wordt zeer onrustig. De verstoringen kunnen nu niet meer uitgedempt worden en de waterstraal is turbulent geworden.

Het Reynolds getal is een dimensieloos getal met in de teller de stromingssnelheid en in de noemer de ‘kinematische viscositeit’. Overheerst de viscositeit, dan is het getal klein en is er sprake van rustige, laminaire stroming. Neemt de snelheid tot boven een bepaalde waarde toe, dan kan de viscositeit ontstane verstoringen niet meer onderdrukken en wordt de stroming turbulent. Het Reynoldsgetal is dan groot.

Osborne Reynolds geportretteerd door de schilder John Collier in 1904. Foto: University of Manchester

Superfluïde helium

Met het Reynoldsgetal, maar ook met computermodellering bijvoorbeeld op basis van de zogenaamde Navier-Stokes vergelijkingen, is het ontstaan van turbulentie heel behoorlijk te beschrijven. Maar om turbulentie goed te kunnen begrijpen zoeken natuurkundigen naar systemen waarin ze turbulentie en vooral het ontstaan daarvan onder goed te controleren omstandigheden kunnen bestuderen.

Een groep natuurkundigen uit Helsinki, Osaka, Leiden, Moskou en Praag heeft nu zo’n systeem gevonden en meteen een nieuwe ontstaanswijze van turbulente stroming ontdekt. Ze gebruikten superfluïde helium-3 van minder dan 0,0022 graden boven het absolute nulpunt, een systeem dat experimenteel heel nauwkeurig te onderzoeken is. De verwachting is dat daarmee het ontstaan van turbulentie is te ontrafelen. De onderzoekers, waaronder dr. Rob Blauwgeers van het Kamerlingh Onnes Laboratorium van de Universiteit Leiden, publiceerden de resultaten van hun experimenten vorige maand in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Wanneer helium wordt afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt – en tot beneden een bepaalde kritische waarde, gaat het zich als een wrijvingsloze vloeistof gedragen; het wordt superfluïde. In werkelijkheid bestaat dergelijk helium uit kleine hoeveelheden normaal bewegende vloeistof in een verder wrijvingsloos bewegende vloeistof. Hoeveel ‘normale’ vloeistof er kan bestaan, is gekoppeld aan de temperatuur van het helium; de rest gedraagt zich als een superfluïde quantumsysteem. De enige manier voor een supervloeistof om in rotatie te komen is door het vormen van mini-draaikolkjes. Deze werveltjes, ook wel vortices genoemd, dragen een vaste hoeveelheid vloeistofcirculatie (ze zijn gequantiseerd) en zijn welbepaald. Hoe sneller een vat met supervloeistof ronddraait, hoe meer wervels aanwezig zullen zijn.

Draaiend vat

Het gedrag van die draaikolkjes in superfluïde helium-3 laat zich goed bestuderen, bijvoorbeeld met magnetische kernspinresonantie. De onderzoekers hebben daarvoor het helium-3 onder een druk van 29 bar afgekoeld tot beneden de kritische waarde van 0,0022 kelvin, waar het bij die druk superfluïde wordt. Het superfluïde helium zat in een vat dat ze lieten ronddraaien. Het echte superfluïde deel van de vloeistof merkt daar niets van; dat is immers één van de eigenschappen van superfluïditeit. Er is dus geen factor in het spel die gekoppeld is aan snelheid van de vloeistof. Vervolgens lieten de onderzoekers gecontroleerd vortices ontstaan. Omdat bij hogere rotatiesnelheid de vortices steeds identiek zijn aan die bij lage snelheid, is er geen factor in het spel die gekoppeld is aan de snelheid van de vloeistof. De stabilisatie van de vortices in het roterende vat is gekoppeld aan de temperatuur en zo konden ze kijken of de vortices zich anders gingen gedragen bij verschillende temperaturen.

Bij 20% onder de kritische temperatuur wordt elke net gevormde wervel in korte tijd mooi uitgerekt langs de lange as van het ronddraaiende vat. Kennelijk, zo stellen de onderzoekers, is er dan nog zoveel normale vloeistof aanwezig dat deze een dempende werking heeft op de de vortices. De vloeistof als geheel blijft er mooi rustig uitzien. Gaat de temperatuur naar 40% van de kritische waarde, dan vermindert de demping en rekken de vortices niet netjes uit. Ze worden ‘kronkelig’ en snijden zichzelf doormidden, waardoor ze zich vermenigvuldigen. De vloeistof gedraagt zich nu turbulent. Simulaties die de onderzoekers deden reproduceerden dit gedrag heel mooi.

Een grote verrassing was dat de overgang van gelijkmatig naar chaotisch gedrag in de vloeistof heel scherp verloopt, in een temperatuursverloop van maar 5% van de kritische waarde. Het ontstaan van turbulentie wordt hier dus niet veroorzaakt door een vergroting van de stroomsnelheid, maar door de onderlinge wrijving tussen de normale vloeistof en de wervels in het superfluïde deel van de vloeistof. Zo’n puur temperatuursafhankelijke overgang naar turbulent gedrag is nog niet eerder waargenomen. Omdat het temperatuursbereik waarin zich dit allemaal afspeelt binnen de experimentele mogelijkheden valt, verwachten de onderzoekers dat de preciese overgang tussen gelijkmatig en chaotisch gedrag in detail kan worden onderzocht. Ze hopen dat dit het ontstaan van superfluïde turbulentie voor het eerst echt duidelijk zal kunnen maken.

Een simulatie van het ontstaan van turbulentie in superfluïde helium. In deze toestand bevat het helium altijd nog een fractie gewoon vloeibaar helium. Deze ‘normale’ vloeistof is in staat wervels (vortices), die in het superfluïde helium ontstaan, te dempen. Net gevormde wervels worden mooi recht uitgerekt en de vloeistof gedraagt zich rustig (boven). Bij afnemende temperatuur neemt de dempende werking van de normale vloeistof opeens snel af; pas gevormde wervels vermenigvuldigen zich en er ontstaat turbulentie in het helium (onder). Illustratie FOM

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 september 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.