NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/fom-historie/jaarverslagen/hoogtepunten/hoogtepunten2013/op-naar-de-ultieme-staat-van-turbulentie-nr-142/

Geprint op :
14 december 2018
16:03:26

Een vloeistof tussen twee horizontale platen met verschillende temperaturen laat convectiegedrag zien als de onderste plaat warmer is. De reden daarvoor is dat de vloeistof nabij de onderste plaat verwarmt, waardoor de vloeistof lichter wordt en opwaarts stroomt. Bij de bovenste, koele plaat neemt de vloeistoftemperatuur juist af en daalt de vloeistof weer. De vloeistofbeweging tussen de platen heet Rayleigh-Bénard-convectie.

De belangrijkste grootheid in zo'n bewegende vloeistof is het warmtetransport. Wetenschappers proberen te bepalen hoe het warmtetransport afhankelijk is van het temperatuurverschil tussen de platen.

Van kalm naar turbulent
Bij een laag temperatuurverschil is er eerst helemaal geen stroming en ontstaat daarna een laminaire stroming in de bak. Bij een nog sterkere aandrijving (een nog groter temperatuurverschil) ontstaat turbulentie in het systeem. De vloeistofdeeltjes wervelen dan door elkaar heen. Turbulentie ontstaat in eerste instantie ver van de platen. De stromingen in de grenslagen van de platen blijven dus relatief kalm. In zo'n systeem is de manier waarop het warmtetransport afhangt van het temperatuurverschil inmiddels goed theoretisch begrepen – en is toegankelijk voor numerieke simulaties. 

De verwachting is echter dat vanaf een bepaald, nog groter temperatuurverschil tussen de platen de afhankelijkheid plots verandert en het warmtetransport sterk toeneemt. Dat gebeurt omdat dan ook de grenslagen turbulent zijn, en dus veel meer warmtetransport toelaten.

Groot, groter, grootst
Volgens de theorie verandert de schalingwet voor de warmteoverdracht vanaf dit punt niet meer. Daarom verwachten onderzoekers dat men vanuit dit zogenoemde 'ultieme' of 'asymptotische' regime kan extrapoleren tot willekeurig grote systemen. Dat is relevant, omdat het daardoor mogelijk is convectie letterlijk op wereldformaat te bestuderen. De convectie in de aarde, en in andere hemellichamen, kan zo dus begrepen worden, hoewel de grootte van deze systemen buiten het bereik van experimenten en simulaties liggen. 

Hedendaagse experimenten kunnen alleen lokale metingen doen. Dit is niet het geval in simulaties die gedaan worden met de snelste Europese supercomputers, waaronder de nieuwe Nederlandse supercomputer Cartesius. Daardoor worden de grenzen van huidige simulaties verlegd, en is het mogelijk steeds grotere en turbulentere systemen te simuleren.