Vloeistofmechanica voor de toekomst

Vloeistofmechanica is een integraal onderdeel van veel aspecten van ons moderne leven, zoals sport, medicijnen, klimaatverandering en milieukwesties, en ook van de meer traditionele vakgebieden als transport, energie en infrastructuur van gebouwen. Zo is dr. Jerry Westerweel, hoogleraar vloeistofmechanica, betrokken bij een vloeistofmechanicaproject als onderdeel van een onderzoek naar zwemtechnieken. “Ik zwem zelf veel en ik begon me af te vragen of het beter was om mijn vingers bij elkaar of iets uit elkaar te houden wanneer ik door het water beweeg. We hebben wat onderzoek gedaan en mijn collega besefte op een gegeven moment dat het een kwestie van schaal was. We konden dezelfde wet toepassen die we gebruiken om windturbines te optimaliseren.” Deze wet zegt dat als een windturbine met veel bladen volledig gesloten is, de wrijving zo groot zou zijn dat de wind eromheen zou moeten waaien, waardoor de efficiëntie van de turbine vermindert. Voor een grotere efficiëntie moet je de bladen dus een beetje open houden en de wind erdoorheen laten waaien. “We constateerden dat op dezelfde manier de efficiëntie van het zwemmen groter wordt als je je vingers enigszins uit elkaar houdt.”

Dit jaar 100 jaar geleden benoemde de Technische Universiteit Delft de Nederlandse natuurkundige Johannes Martinus Burgers tot de eerste hoogleraar vloeistofmechanica in Nederland. In 1918 zat de wereld in een tijd van spannende en snelle ontwikkelingen op het gebied van transport, energie en industriële productie, en mensen merkten al snel hoe belangrijk het was om te bestuderen hoe gas- en vloeistofstromen de prestaties van vliegtuigen, pijpleidingen en windmolens beïnvloeden, en om te begrijpen welke krachten daarbij betrokken zijn. Een eeuw later, gewapend met betere hulpmiddelen en veel meer rekenkracht, viert het Aero- en Hydrodynamics Laboratory van de TU Delft het jubileum door te kijken naar hoe de vloeistofmechanica er de komende honderd jaar uit kan gaan zien, en naar de mogelijkheden om de samenleving zo goed mogelijk te helpen reageren op de uitdagingen van de zich snel ontwikkelende technologie, met name in het licht van problemen op het gebied van duurzaamheid en klimaatverandering.

Als onderdeel van het eeuwfeest organiseert dr. Jerry Westerweel een symposium met het toekomstgerichte thema 1918 => 2018 => 2118. Lees hier meer. 

Westerweel organiseert dit jubileum in nauwe samenwerking met het J.M. Burgerscentrum, een onderzoeksschool met meer dan 60 hoogleraren en meer dan 350 onderzoekers van vier technische en twee gewone universiteiten (TU Delft, TU/e, UT en WUR; RUG en UU). De onderzoeksschool heeft nauwe banden met het Nederlandse bedrijfsleven en nationale onderzoekscentra. Klik hier voor meer informatie.

Tijdens dit symposium herdenken we de benoeming van professor Burgers in 1918, maar we gaan niet alleen terugblikken”, zegt Westerweel. “De samenleving verandert enorm snel en daarom willen we nadenken over de problemen en uitdagingen van de komende honderd jaar

De toekomst

Het lastige is dat de toekomst, zelfs de nabije toekomst, moeilijk te voorspellen is: “Nog maar vijf jaar geleden had ik sommige dingen die we nu doen niet kunnen voorspellen”, aldus Westerweel. “Wie had gedacht dat Nederland met zijn extreem grote aardgasvoorraden zou besluiten om de aardgaswinning stop te zetten? Of dat de olieprijzen zo enorm zouden dalen vanwege elektrificatie?” Doordat we niet weten wat belangrijk wordt in de komende jaren, is het ook moeilijk om te weten hoe toekomstige generaties moeten worden opgeleid in de vloeistofmechanica: “Het duurt vijf jaar voordat een student ingenieur wordt. In die tijd kan een deel van de verworven kennis en vaardigheden verouderd zijn geraakt; dat is echt iets om rekening mee te houden”, vindt Westerweel.

“Dus hoewel ik denk dat we nog niet alle huidige problemen in de vloeistofmechanica hebben opgelost, is het van het grootste belang om ook goed na te denken over toekomstige uitdagingen.”

Veel gebieden binnen de vloeistofmechanica hebben enorm geprofiteerd van de enorme toename van computerkracht in de afgelopen jaren. Neem bijvoorbeeld het gebied van de vloeistofmechanica dat bekend staat als ‘Biological flows’. Bij iemand die een bypassoperatie moet ondergaan, wordt een CAT-scan gemaakt om de bloeddoorstroming van die persoon te bepalen voor en na de operatie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van zowel kennis van vloeistofmechanica als de toegenomen computerkracht.

De steeds grotere computerkracht heeft ook de vloeistofmechanica zoals die wordt toegepast in de entertainmentwereld sterk beïnvloed: denk maar eens aan de prachtig realistische oceaangolven die in moderne animatiefilms te zien zijn. “Een student van Stanford heeft veel geld verdiend met het ontwerpen van golven. In de film Finding Nemo is de beweging van het water gedaan door een deskundige op het gebied van vloeistofmechanica. In animatiefilms worden golven in een oceaan op wetenschappelijk verantwoorde wijze gesimuleerd, want tegenwoordig is het met behulp van de achterliggende fysica relatief makkelijk om een animatie volledig realistisch te maken.''

De energietransitie

Ondertussen ontwikkelen zich andere specialisaties binnen de vloeistofmechanica doordat nieuwe uitdagingen zich aandienen; neem bijvoorbeeld klimaatverandering. “In Nederland zijn we eraan gewend dat het regelmatig regent”, zegt Westerweel. “Dit jaar hebben we echter een zeer lange periode van droogte gehad, gevolgd door enorme stortbuien, waardoor de riolen overstroomden. We moeten nu nadenken over het ontwerp van nieuwe riolen die bestand zijn tegen dergelijke situaties, want deze weersomstandigheden zullen in de toekomst waarschijnlijk vaker gaan optreden.” Duurzaamheid wordt steeds belangrijker en vloeistofmechanica blijft een belangrijke rol spelen bij het optimaliseren van technologie voor duurzame energie. “Windturbines en windmolens genereren geluid,” legt Westerweel uit, “en hoe groter ze zijn, hoe meer geluid ze maken. Het is de stroming rond de bladen die voor geluid zorgt. Je kunt het niet voorkomen; vanaf een bepaalde luchtsnelheid wordt er nu eenmaal geluid geproduceerd. Onderzoekers gebruiken nu de principes van vloeistofmechanica om dit probleem te verminderen.” Een ander aspect van de energietransitie van fossiele brandstoffen naar duurzamere opties is een doel dat verder in de toekomst ligt: elektrische vliegtuigen en elektrische vrachtwagens. “De uitdaging met elektrische auto’s is min of meer opgelost, maar hoe gaan we dat doen met vrachtwagens? En vliegtuigen? Denk maar eens aan de logistiek. De huidige elektrische auto’s zijn over het algemeen klein, maar momenteel zou een elektrische vrachtwagen onmogelijk zijn, omdat er een reusachtige accu nodig zou zijn.” De uitdaging voor de toekomst is dus om uit te zoeken hoe je die energie in een zeer compacte vorm kunt opslaan. “Dit gaat natuurlijk over energie, maar vloeistofmechanica zal daar ook een rol in spelen, omdat bij al deze processen vloeistoffen betrokken zijn.”


Turbulentie

Binnen de vloeistofmechanica interesseert professor Westerweel zich in het bijzonder voor turbulentie, de chaotische of niet-lineaire beweging van vloeistoffen. “De meeste mensen kennen turbulentie als veroorzaker van een onprettig gevoel in een vliegtuig, of doordat je soms bijna van je fiets wordt geblazen, maar het is een fenomeen dat zich in veel situaties voordoet, en dat niet alleen ongunstige effecten heeft.” Neem bijvoorbeeld de luchtvervuiling in grote steden. “Door turbulentie wordt de schone lucht in de hogere atmosfeer vermengd met de vervuilde lucht op lagere niveaus. Zonder turbulentie zouden we niet in een stad kunnen leven!”

Als onderdeel van zijn vroege onderzoek naar turbulentie ontwikkelde Westerweel een nu algemeen gebruikte techniek met de naam Particle Image Velocimetry. “Toen ik promovendus was, kon je met de meetinstrumenten alleen eenpuntsmetingen doen. Wanneer je dus een stroming wilde visualiseren, was het net alsof je je een schilderij probeerde voor te stellen door alleen maar door een klein gaatje te kijken: je kunt naar afzonderlijke kleine stukjes kijken, maar je krijgt geen totaalbeeld. Daarom werkten we aan een manier om een stroming te visualiseren door als het ware rook in een doos te doen en aan de hand daarvan te kijken hoe de stroming zich gedroeg. In de begindagen was dit vooral een kwalitatief proces, maar nu, met computers en digitale camera’s, kunnen we het meten en de stromingspatronen echt bekijken.” En hoe werkt dat? “We brengen een grote hoeveelheid deeltjes in de stroom en verlichten deze met een sterke laserlamp, zodat we daadwerkelijk 100.000 deeltjes kunnen zien. Aanvankelijk konden we ze slechts in één vlak visualiseren, maar tegenwoordig gebruiken we zes hogesnelheidscamera’s om het hele volume te reconstrueren. We kunnen nu echt alles meten wat we over deze stromen willen weten. Dat is iets om trots op te zijn: de ontwikkeling van een techniek met behulp waarvan veel mensen nu veel meer begrijpen over stromingen.”

Door Particle Image Velocimetry hebben we nu ook meer inzicht in de krachten die betrokken zijn bij het veroorzaken van turbulentie. En dat zouden we weer kunnen toepassen om transport te stroomlijnen. Bijvoorbeeld bij schepen, waar wordt geëxperimenteerd met luchtbellen als een manier om wrijving te verminderen zodat een schip zo ‘gesmeerd’ mogelijk door het water gaat. “Turbulentie is een belangrijk proces waar we al veel over weten,” zegt Westerweel, “maar wat we niet volledig begrijpen is het overgangspunt van een gladde stroming van bijvoorbeeld kraanwater naar een volgend moment dat de stroom spettert of turbulent is.”

Hoewel de vloeistofmechanica niet de glamour van de hoge-energiefysica of kosmologie heeft, is het een onderzoeksgebied met een enorm scala aan toepassingen, en professor Westerweel hoopt dat mensen door het eeuwfeest zullen gaan nadenken over de toekomst van het vak. “Ja, we moeten eens goed nadenken, ons afvragen wat de problemen zijn waar we echt aan willen werken en hoe we omgaan met een toekomst waarin alles steeds sneller gaat.”