maandag 15 september 2014

Waar ik over schrijf in mijn thesis (2)


In de vorige blog schreef ik over plasmas en kern fusie. Maar ik beloofde ook om een tweede blog post te schrijven over mijn werk over vloeistofstromingen en menging. Hierbij wil ik dus vertellen hoe je water stromingen kunt veranderen en ook hoe je menging van bijvoorbeeld kleurstoffen in een vloeistof kunt versnellen. Je kunt daarbij denken aan het mengen van verschillende kleuren verf.

Maar ik wil beginnen met mijn werk aan stromingen in water. Ondanks dat we ze dagelijks zien zijn waterstromingen na 300 jaar onderzoek nog steeds moeilijk te begrijpen. Maar het is erg belangrijk om ze wel te begrijpen want ze komen voor in heel veel technische toepassingen. Maar ook om de natuur en het weer en klimaat te begrijpen zijn ze belangrijk. Zo zie je hieronder een foto van een scheeps roer in een water stroming (van bovenaf gefotografeerd).


  Een schip stuurt met zo'n roer. Je ziet rechts boven het roer allemaal wervelingen in het stromend water. Die wervelingen hebben effect op de het effect van het roer, werkt het nu goed of niet? Ook vliegtuigvleugels zou je op dezelfde manier kunnen onderzoeken, dit zou een zelfde soort plaatje geven. De wervels die dan ontstaan zouden wel eens kunnen zorgen dat het vliegtuig afremt of dat het snel gaat dalen. Dat wil je natuurlijk niet! Om dit te voorkomen is het belangrijk om te begrijpen hoe wervels ontstaan en wat voor effect ze hebben.

Zoals ik eerder zie, je komt deze wervelingen ook in de natuur tegen. Hieronder zie je een kaart van de aarde. De pijltjes in de oceanen geven aan hoe de oceaan stromingen lopen. Ook in de oceaan zijn dus hele grote wervelingen! Deze wervelingen zijn belangrijk voor schepen, als ze met de stroming meevaren gaan ze een stuk sneller. Daarnaast transporteren deze stromingen ook warmte en kleine organismen en daardoor beïnvloeden ze het klimaat. Zo bestaat er het el Nino effect waarbij elke paar jaar de stroming in de zuidelijke Grote Oceaan verandert. Deze stromings verandering zorgt niet alleen voor heel ander weer in Zuid-Amerika maar zelfs in Europa merken we het effect!


Eigenlijk maakt het dus niet zoveel uit hoe groot de stroming is. Zowel de stroming rond een scheeps roer als de stroming in de oceaan leiden tot wervelingen en je kunt deze wervelingen ook begrijpen als je ze onderzoekt in een veel kleinere stroming.

Daarom heb ik zelf stromingen onderzocht in een vierkante bak water van maar 50 cm bij 50 cm en ik heb onderzocht hoe je de wervels in zo'n kleine bak water kunt controleren. Het was al bekend dat in zo'n bak nette wervel patronen voorkomen en dat je door deze te bestuderen ook andere patronen (bijvoorbeeld in oceaan stromingen) kunt begrijpen. Wij wilden echter kijken of we door op een slimme manier het water in beweging te brengen we nog veel spectaculairdere wervel patronen konden maken. Als je wilt weten hoe we dat precies deden dan moet je hoofdstuk 2 in mijn thesis lezen maar het resultaat is te zien in onderstaande filmpjes.



Je ziet in deze filmpjes dat de wervelingen in het water zich in heel speciale patronen ordenen.
Dit resultaat werpt een ander licht op wat er allemaal mogelijk is in stromingen. Het blijkt nu dat water wervels zich in hele onverwachte patronen kunnen ordenen. Als we beter begrijpen hoe dit nu precies komt kunnen we gelijkertijd ook meer leren over hoe wervels in oceanen en achter scheepsroeren zich gedragen, maar ook hoe wij ze kunnen beïnvloeden.


De volgende vraag is nu, als je zo'n wervelende stroming hebt, hoe mengen stoffen in zo'n stroming?
Stel dat je in een verf fabriek werkt en je wilt zo snel mogelijk een kleurstof mengen in de verf. Bij de enorm grote hoeveelheden waarmee ze in de industrie werken is het wel erg belangrijk dat je dat op een efficiënte manier doet, zonder teveel energie te verspillen. Energie is immers geld. Omdat verf
(maar zeker ook plastics en voedsel) erg stroperig is, is het niet zo makkelijk om het te bewegen. Vaak krijg je maar een paar grote wervels in zulke stroperige vloeistoffen. Hierdoor is het lastig om ze te mengen. Net zoals het veel moeilijker is om in stroop te roeren dan in water.

We hebben onderzocht hoe dat mengen werkt en kwamen met een oplossing die een stuk simpeler is dan de bestaande oplossingen. Door met een camera op te nemen hoe de vloeistof en de kleurstof zich gedragen kunnen we de computer heel snel laten berekenen wat er zou gebeuren als we de stroming zouden veranderen. Deze computer berekeningen leiden dan tot een keuze hoe de stroming aangepast moet worden om sneller te gaan mengen. Dit wordt dan ook onmiddellijk uitgevoerd en de computer blijft dan aan de hand van de camera beelden controleren of de vloeistof nog steeds efficiënt aan het mengen is. Zo niet zal hij de vloeistof stroming weer veranderen. Dit klinkt allemaal misschien wat abstract, maar het filmpje hieronder maakt het wat duidelijker. Je ziet hier een witte plastic vloeistof met daarin een druppel rode kleurstof. Zowel de buitenwand als de binnenwand kunnen roteren. Wij zetten alleen deze mixer aan en de computer en de camera, daarna gaat de computer aan de hand van de camera beelden die je ziet berekenen welke wand er bewogen moet worden om zo snel mogelijk de kleurstof te mengen. Op deze manier gaat het sneller dan normaal.




Je zou je natuurlijk kunnen afvragen waarom je geen mixer in deze plastic vloeistof zet? In werkelijkheid kan dit niet zomaar, het zou teveel energie kosten omdat het plastic zo stroperig is en je kunt zo'n plastic niet zo wild laten bewegen als de slagroom die wel met een mixer kunt opkloppen.

Ik hoop dat deze uitleg duidelijk heeft gemaakt dat het belangrijk is om stromingen in vloeistoffen niet alleen te begrijpen maar ook om ze te kunnen beïnvloeden. Het werk in mijn thesis laat  zien dat dat soms helemaal niet zo moeilijk is. Ondanks dat stromingen heel moeilijk te begrijpen zijn en al honderden jaren onderzocht worden is het soms best eenvoudig om het gedrag te controleren. Voorbeelden die je hiervan hebt gezien zijn het maken van wervel patronen en het versnellen van menging in zo'n stroming m.b.v. computer en camera.

Het werk wat ik hier besproken heb staat in de hoofdstukken 2 tot en met 4 van mijn thesis. Dit werk is gedaan in samenwerking met Marco de Baar, Michel Speetjens, Henk Nijmeijer, GertJan van Heijst, Leon Kamp, Patrick Anderson, Victor Dolk, Maurice Heemels en Duarte Antunes.