Delft viert eeuw stromingsleer
Honderd jaar geleden werd professor Jan Burgers in Delft hoogleraar stromingsleer. Stromingsprofessor Jerry Westerweel blikt terug en drie jonge onderzoekers kijken vooruit.
Het fijne van stromingsleer is dat het zich afspeelt op menselijke schaal. Water stroomt onder de brug, wolken schuiven door de lucht, en als het regent word je nat.
Mensen zoals prof.dr. Jerry Westerweel, hoogleraar vloeistofmechanica, zien stromingsleer overal om zich heen: turbulentie, bloedsomloop, vervuiling of windturbines. Alles stroomt. Wie eens door de ogen van een stromingsexpert wil kijken, kan terecht op de FYFD-website voor een niet-aflatende verwondering over vallende waterdruppels, viervoudige regenbogen, spontane lawines of vliegende vleermuizen.
Een eeuw geleden vonden professoren C.B. Biezeno en C.P. Holst dat er bij de afdeling werktuigbouwkunde en maritieme techniek behoefte was aan een docent die de theoretische basis kon leggen voor een beter begrip van stromingen. De Leidse professor Paul Ehrenfest wees zijn oud-promovendus dr. J.M. (Jan) Burgers op de vacature. Burgers werkte toen onder leiding van de legendarische professor Henrik Lorentz aan de atoomtheorie, maar hij begon zich af te vragen of dit wel zijn lotsbestemming was.
In oktober 1918 ging Burgers in Delft aan de slag, en twee jaar later werden een windtunnel en een sleeptank in gebruik genomen. Burgers vermeldt dat in zijn memoires die hij in 1975 in Maryland (Verenigde Staten) op schrift zette. Theorie en experiment werden onder zijn leiding hand in hand ontwikkeld, een benadering die tot op de huidige dag kenmerkend is voor de Delftse stromingsleer. Dat kwam ook voorbij op het symposium Flows are everywhere op 18 oktober ter ere van honderd jaar stromingsleer in Delft. De toekomst kwam daar ook ter sprake met vooruitblikken van drie jonge onderzoekers.
Meettechniek veranderd
Maar eerst nog dat verleden vol mooie verhalen. Zou Jan Burgers het huidige laboratorium herkennen? Westerweel (1964) denkt van niet: “We hebben een kast met oude instrumenten, maar verder is alles totaal anders qua meettechniek. Een windtunnel blijft een windtunnel, dat idee stamt uit de begintijd, maar de meettechniek is enorm veranderd. Burgers deed metingen aan windsnelheid en turbulentie met een gloeidraadje. De afkoeling was een maat voor de snelheid ter plaatse. Uit de variatie van snelheid kon je de mate van turbulentie afleiden. Turbulentie was toen het belangrijkste onderwerp en dat is het eigenlijk nog. De briljante fysicus Richard Feynman zei in de jaren ’60 al dat turbulentie een van de onopgeloste problemen van de fysica was. Daar wilde zelfs hij zijn vingers niet aan branden.”
Zwemmen met haaien
Als belangrijkste vooruitgang in de afgelopen eeuw noemt Westerweel de meettechniek en de rekenkracht. “Burgers mat met zijn gloeidraad in één punt. We kunnen nu honderdduizend punten tegelijk meten. Het meetvolume is zo groot als een portemonnee, maar we breiden dat uit naar grotere volumes. Recent hebben we onderzoek gedaan in het haaienaquarium van Diergaarde Blijdorp. We wilden zien of we duizend valse haringen in een school konden volgen terwijl ze aangevallen werden door een haai. Daarvoor pasten we de meettechniek aan van tien bij tien centimeter naar tien bij zes meter en 25 meter diep.
Golfjes op stromend water focussen opvallend laserlicht in oplichtende banen. Promovendus Mike van Meerkerk doet onderzoek naar het ontstaan van instabiliteit op een wateroppervlak, en gebruikt daarvoor een staande golf van water die van rechts naar links over een obstakel stroomt. Foto © Sam Rentmeester
Als belangrijkste vooruitgang in de afgelopen eeuw noemt Westerweel de meettechniek en de rekenkracht
Twee duikers zwommen rond met een kalibratieplaat terwijl een derde duiker met een stok de haaien uit de buurt moest houden. We hebben vier gekoppelde camera’s opgesteld voor een serie driedimensionale beelden die laten zien hoe een school haringen uiteen wijkt en weer samenschoolt als er een haai doorheen schiet.”
Prof. dr. Jerry Westerweel. Foto © Sam Rentmeester
Het berekenen van stromingen kwam in de jaren ’80 op gang toen de computers krachtig genoeg werden. Hoe turbulenter de stroming, hoe complexer de berekening. Het Reynoldsgetal, grofweg de verhouding tussen stroomsnelheid en viscositeit, wordt gebruikt als maat voor turbulentie.
De stelregel luidt dat bij een Reynoldsgetal 2.000 de stroming omslaat van laminair naar turbulent. Westerweel: “ Die simulaties gaan voor steeds hogere Reynoldsgetallen goed. Ten tijde van mijn promotie in 1993 was de stroming in een buis goed te simuleren tot Reynoldsgetal 5.000. Nu zit de simulatiegrens op 50.000 tot 100.000, en dan wordt het industrieel interessant. Daarmee komt Large Eddy Simulation, een wiskundig model om turbulente stromingen te berekenen, beschikbaar voor industriële problemen.” Hij pakt er een iPad bij en tikt op het scherm. Een stroming vloeit langs ronde obstakels waarbij zich wervels vormen in het kielzog. “Je ziet hoe wervels worden afgeschud”, zegt de stromingsprofessor. “Hier was eind jaren '80, begin jaren ’90 een supercomputer voornodig, maar dit draait nu gewoon op je telefoon.”
De komende honderd jaar
De huidige generatie stromingsonderzoekers heeft ultrasnelle 3D-meettechniek en krachtige computers om hun Navier-Stokes-vergelijkingen te berekenen. Om hen heen verandert de wereld en daarmee de toepassingen van hun vak. Het zal de komende honderd jaar wellicht meer gaan om windturbines, aardwarmte, warmtepompen en warmtewisselaars dan om raffinaderijen en dieselmotoren.
Westerweel waagt zich niet aan voorspellingen. Dat laat hij over aan drie dertigers die met een frisse blik naar het honderd jaar oude vak kijken. Op het symposium Fluid Mechanics Centennial, georganiseerd in samenwerking met het J.M. Burgerscentrum, spraken dr. Daniel Tam (TU Delft), dr. Alvaro Marin (Universiteit Twente) en dr. Hanneke Gelderblom (TU Eindhoven) over hun verwachtingen ten aanzien van de komende honderd jaar stromingsleer.
Waarom moeilijk doen met vergelijkingen, vroeg Gelderblom zich af voor een zaal met stromingsexperts. Neurale netwerken en zelflerende systemen worden overal toegepast, dus waarom niet in de stromingsleer? Zou het mogelijk zijn om stromingsdata in een getraind neuraal netwerk in te voeren en gewoon af te wachten waar het systeem mee komt? Wie zou dan nog Navier-Stokes-vergelijkingen nodig hebben? Gelderblom verwierp het gedachte-experiment al snel met de overtuiging dat de analyse van elk probleem betekent dat je teruggrijpt op de theorie. Redeloos rekenen is geen alternatief voor de probleemanalyse.
Dom rekenen
Toch is Gelderblom niet de enige die wordt verleid door de goedkoop beschikbare rekenkracht. Daniel Tam, vorig jaar benoemd tot docent van het jaar bij de faculteit ME, merkt dat het lastig is om studenten duidelijk te maken wat de fysische principes achter de waarnemingen zijn, en waarom dat van belang is. “Studenten stoppen liever de hele proefopstelling in MATLAB en laten de computer rekenen”, zei Tam.
De verhouding tussen experiment en simulatie is aan het verschuiven richting cyberspace. Toename in rekenkracht en betere numerieke methoden hebben ertoe geleid dat simulaties goedkoop en redelijk betrouwbaar zijn geworden. Onderzoekers kunnen er situaties mee doorrekenen die experimenteel niet te reproduceren zijn.
Toch blijft Tam zijn reserves houden. “We weten niet goed hoe we met computers moeten werken”, vindt hij. Computermodellen genereren bergen aan data, vaak meer dan onderzoekers aankunnen. “Voor de stromingsleer zijn de snelheden in x,y en z-richting met de druk erbij voldoende.
Een roeiblad (schaal 1:2) beweegt door een horizontaal vlak met laserlicht terwijl een camera onder de opstelling door 10 cm dik glas de stroming vastlegt. Promovendus Ernst-Jan Grift onderzoekt versnellende en vertragende stroming rond het blad om te zien hoe roeiers sneller kunnen gaan. Foto © Sam Rentmeester
Maar een computermodel gooit er ook nog de temperatuur bij en dan gaat het echt los.” De meest algemene manier om vloeistofstromen te analyseren met de computer heeft Computational Fluid Dynamics (CFD), en de hoeveelheid data die daar uitkomt, is zo groot dat er uitgebreide nabewerking moet plaatsvinden om er begrijpelijke resultaten uit te halen.
Ook spreker Alvaro Marin ziet dat experimenten worden verdrongen door computersimulaties, vooral als het gaat om grote Reynoldsgetallen. Toch vindt ook Marin dat de uitkomsten van simulaties altijd gevalideerd moeten worden met experimentele data. Redenen daarvoor zijn dat het model niet compleet kan zijn, de onderzoekers kunnen wat over het hoofd hebben gezien, of er kan een programmeerfout in de simulatie zitten. En tot slot is het een kwestie van veiligheid om te weten dat de voorspellingen overeenstemmen met de werkelijkheid.
Exotische vloeistoffen
Naast simulaties en experimenten signaleert de jonge generatie verdere ontwikkeling van theorie over complexe vloeistoffen, of vloeistoffen op nanoschaal. Tam bijvoorbeeld bestudeert vloeistoffen op de schaal van levende cellen. Hierbij lijkt de vloeistof uit zichzelf te stromen, in plaats van dat er een externe kracht of aandrijving nodig is. Ook is de vloeistof niet meer homogeen, waardoor de Navier-Stokes-vergelijkingen veel complexer worden. Dit geldt ook voor vloeistoffen waaraan polymeren of deeltjes zijn toegevoegd. De industrie ontwikkelt steeds vaker exotische vloeistoffen zoals sneldrogende inkt of snelklevende inkt die in de praktijk goed voldoen, maar waarvan het begrip duister blijft. Wil de stromingsleer ook in de toekomst met buitenissige vloeistoffen een rol van betekenis blijven spelen, dan zullen ook de theoretische grondslagen verder ontwikkeld moeten worden. Een stevige theoretische basis dus voor een beter begrip van stromingen. Dat is grappig genoeg de zelfde opdracht die Jan Burgers een eeuw geleden kreeg bij zijn aanstelling in Delft.
Fuck Yeah Fluid Dynamics: fyfluiddynamics.com