Op de fundamentele vraag bij welke vloeistofsnelheid de eerste vormen van turbulentie in een gelijkmatig stromende vloeistof kunnen ontstaan, hebben wetenschappers van de vloeistof dynamica zich al honderden jaren de tanden stuk gebeten. Onder-zoekers van het Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation onderzochten de kleine wervelingen die óf verdwijnen óf zich delen en zo de basis vormen voor grotere turbu-lenties. De onderzoekers bepaalden de snelheid van de vloeistof, waarbij meer nieuwe wervelingen ontstaan dan er verdwijnen en daarmee het omslagpunt voor turbulentie.
Turbulentie is een nog grotendeels onbegrepen fenomeen, dat van groot belang is voor een verscheidenheid aan toepassingen, waarvan het transport van vloeistoffen en gassen door pijpleidingen een belangrijke is. Turbulenties zijn ongewenst omdat ze veel energie kosten, bijvoorbeeld bij het transport van olie via pijpleidingen.
Onderzoekers hebben de laatste honderd jaar voor veel soorten stroming uitgevonden bij welke stroomsnelheid de gelijkmatige stroming gevoelig wordt voor de kleinste verstoringen en plotseling omslaat in een turbulente stroming. Bij stromingen in leidingen functioneerde dit echter niet, omdat turbulentie hier alleen optreedt als al een kleine wervelingen in de stroming aanwezig is. De wervelingen ontstaan bij kleine oneffenheden in de wand van de buis en kunnen zich uitbreiden of weer verdwijnen.
Net een epidemie
Om het ontstaan en verdwijnen te bestuderen, moeten wervelingen over een langer traject worden geobserveerd. Het omklappen is bovendien een statistisch proces, wat het experiment bemoeilijkt. Het is volgens de onderzoekers te vergelijken met het verspreiden van een besmettelijke ziekte. Bij een epidemie is sprake van twee tegengestelde effecten: de frequentie waarmee mensen elkaar aansteken en aan en de snelheid van de genezing.
Afhankelijk van de kracht waarmee beide concurrerende processen zich handhaven, breidt de epidemie zich uit of niet. Dat is bij het ontstaan van turbulentie net zo. De concurrerende effecten zijn het splitsen van werve-lingen (waardoor deze in aantal toenemen) en het vanzelf verdwijnen van wervelingen.
Statistiek
Door de statistische aard van het ontstaan van de turbulentie moeten veel waarnemingen worden gedaan om een kwantitatieve verklaring te kunnen geven. De onderzoekers hebben de wervelingen geobserveerd in een 15 m lange leiding met een doorsnede van 4 mm en hebben daarbij ongeveer 1 miljoen metingen gedaan.
Ze creëerden aan het begin van het traject een werveling en bepaalden met behulp van druksensoren bij verschillende stromingssnelheden of deze werveling zich in het meetproject opsplitste of vanzelf weer verdween. Voor elk van deze snelheden konden ze telkens de waarschijnlijkheid aangeven, waarmee de werveling zich deelt of verdwijnt.
De eerste waarschijnlijkheid neemt toe met de frequentie van voorkomen, de laatste neemt af met de stroomsnelheid. Er bestaat een situatie, waar de beide waarschijnlijkheden gelijk zijn. Gaat men van daaruit over op hogere snelheden, dan ontstaat beduidend meer nieuwe wervelingen dan er oude verdwijnen. Er ontstaat een soort lawine-effect waarmee de turbulentie op de voorgrond treedt. Dit punt is het gezochte omslagpunt. De onderzoekers simuleerden het experiment vervolgens op een computer, waarbij ze een perfecte overeenkomst met de meetresultaten vaststelden.
Uit de diameter, de stroomsnelheid en de viscositeit van het water ontstaat het Reynolds-getal. Dit getal neemt toe met de stroomsnelheid. Het om-slagpunt komt overeen met een bepaalde waarde van dit getal, dat de experts het kritische Reynolds-getal noemen. Met deze kritische waarde kan men ook het omslagpunt voor andere vloeistoffen bepalen.
Resultaten
De resultaten leiden tot een beter begrip hoe turbulenties in het algemeen ontstaan in gesplitste stromingen, die niet alleen in buizen maar ook rond auto’s en vliegtuigen optreden. Meer begrip kan worden gebruikt om technieken te ontwikkelen die turbulenties met weinig energie in de kiem kunnen smoren. Dit zal veel energie kunnen besparen. De druk waarmee olie door pijplijnen wordt geperst, zal zonder turbulentie beduidend lager kunnen zijn.
De onderzoekers geven echter aan dat ze het mechanisme, waarmee de wervelingen zich opsplitsen, nog beter moeten leren begrijpen om effectieve controletechnieken te kunnen ontwikkelen.De elementaire kennis die de experimenten opleverden, zijn ehcter zeer belangrijk. De onderzoekers konden aantonen dat het ontstaan van turbulentie in een buis hoort bij een bepaalde classificatie van de overgangen, de zogenaamde fase overgangen, die niet in evenwicht zijn.
