Turbulentie in pijpleidingen te lijf voor efficiënter transport van vloeistoffen

Het transporteren van vloeistoffen door pijpleidingen kost wereldwijd behoorlijk wat energie. En hoe sneller de vloeistof stroomt des te groter de kans dat de stroming turbulent wordt, met hogere transportkosten tot gevolg. Oostenrijkse wetenschappers ontwikkelden een manier om turbulentie te onderdrukken.

12 januari 2018

Een nette, zogenoemde laminaire, stroming (links) die overgaat in een turbulente stroming (rechts).
Charlesreid1 via CC BY-SA 3.0

De wereld hangt van pijpleidingen aan elkaar. Van chemische fabrieken tot olieplatformen, van waterleidingen tot je eigen cv-ketel: overal vindt vloeistoftransport plaats door buizen. Zeker in de industrie telt hierbij de snelheid. Toch kun je vloeistoffen niet oneindig snel door een buis schieten. Bij hoge snelheden gaat een vloeistof vaak over in een chaotische, zogenoemde turbulente stroming. De weerstand die de vloeistof ondervindt gaat omhoog, en het kost veel meer energie om de stroomsnelheid op peil te houden of verder te verhogen.

Onderzoekers proberen daarom manieren te vinden om vloeistoffen met een zo hoog mogelijke snelheid door een buis te laten gaan, zónder turbulentie. Dat kan bijvoorbeeld door een vloeistof in een buis te manipuleren met trillingen die het ontstaan van wervelingen tegengaan. De gedachte daarbij was altijd dat een stroming als hij eenmaal turbulent is, maar moeilijk terug te brengen is tot een nette stroming.

Wetenschappers van onder andere het Oostenrijkse Institute of Science and Technology pakken dit probleem nu anders aan. Ze gaan juist uit van een turbulente situatie en proberen die vervolgens te onderdrukken. Door een waterstroom in een buis op een slimme manier te manipuleren, wisten ze een chaotische stroming te temmen tot een gladde, zogenoemde laminaire, stroming. Volgens de onderzoekers kan vloeistoftransport hiermee in theorie tot 95 procent zuiniger. Het onderzoek is deze week in Nature Physics gepubliceerd.

De rotors in een dwarsdoorsnede van een buis waarmee onderzoekers turbulentie konden oplossen. — De schroeven in een dwarsdoorsnede van een buis waarmee onderzoekers turbulentie onderdrukten.
Jakob Kühnen met toestemming

Turbulentie te lijf met turbulentie

Doorgaans ziet de stroming in een pijpleiding er zo uit: in het midden stroomt de vloeistof het snelst, aan de zijkant – dichtbij de wand – is de stroming langzamer vanwege contact met de stilstaande wand. Deze situatie is echter stabiel tot een bepaalde stroomsnelheid. Bij een hogere snelheid worden ook de snelheidsverschillen tussen de stroming bij de wand en in het centrum van de leiding groter. Op dat moment ligt er chaos op de loer. Er ontstaan wervelingen die ervoor zorgen dat de vloeistof niet meer in een nette lijn door de buis gaat, maar een chaotisch spoor volgt.

Omdat de hierboven beschreven wervelingen hun energie als het ware uit de snelheidsverschillen in de vloeistof halen, dachten de Oostenrijkers dat hier wel eens de oplossing kon liggen voor het onderdrukken van turbulentie. Ze gingen aan de slag met computersimulaties en verschillende testopstellingen. Daarbij lieten ze water lopen door drie tot vijf centimeter dikke buizen van twaalf meter lang. Verrassend genoeg leek het vergróten van de turbulentie uiteindelijk de oplossing voor het herstellen van een nette stroming.

Als eerste dreven de wetenschappers de stroming (verder) aan met een aantal kleine schroeven die in de vloeistof draaien. Het effect hiervan is dat het eerder genoemde snelheidsverschil tussen de wand en het centrum van de leiding afneemt. Daarmee wordt ook de ‘energiebron’ voor de wervels weggenomen, en die wervels bleken verderop in de stroming dan ook op te lossen: de turbulente stroming werd weer laminair. De wetenschappers schrijven over een oplossing die tegen de intuïtie ingaat omdat de schroeven in eerste instantie eigenlijk tot méér turbulentie leiden.

Er werden nog meer methodes geprobeerd, die waren gericht op het verminderen van de snelheidsverschillen in de vloeistof. Zo injecteerden de wetenschappers vloeistof aan de wanden van de leiding, met de snelheid van de vloeistof mee. Ook dat onderdrukte de turbulentie. Tot slot keken ze naar een oplossing waarbij een gedeelte van de pijpleiding tijdelijk meebeweegt met de stroming.

Pijpleiding in Alaska.
Luke Jones via CC BY 2.0

Besparingen

Gert-Jan van Heijst is hoogleraar stromingsleer aan de Technische Universiteit Eindhoven en noemt de uitkomst van het onderzoek verrassend. “Terwijl we doorgaans de overgang van een laminaire naar een turbulente stroming onderzoeken, besturen zij juist het omgekeerde proces”, zegt hij. “Als onderzoeker vind ik het erg interessant dat je turbulentie zo kunt onderdrukken.”

Van Heijst denkt dat het onderzoek kan leiden tot besparingen in de praktijk, waar vrijwel iedere stroming door een pijpleiding turbulent is. Hij houdt wel een slag om de arm. “Het potentieel is groot, want vloeistofstromen zijn overal, maar deze onderzoekers hebben zich gericht op stromingen die op het randje van een nette en turbulente stroming balanceren. Verhoog je de snelheid van de vloeistof, dan wordt het veel lastiger om de turbulentie aan te pakken”, zegt hij. “Bovendien moet je dit proces blijven herhalen in een pijpleiding. Je kunt de turbulentie lokaal wel onderdrukken, maar een snelle stroming zal verder stroomafwaarts toch weer turbulent worden.”

De wetenschappers in Oostenrijk gaan door met hun onderzoek. Ze schrijven dat het temmen van de turbulentie in pijpleidingen in theorie tot besparingen van wel 95 procent kan leiden. Met hun schatting dat zo’n tien procent van de wereldwijde elektrische energie naar het rondpompen van vloeistoffen gaat, is er veel te winnen. Ze zeggen hun zinnen nu te zetten op het ‘herstellen’ van turbulentie bij hogere snelheden.

Bron