Sander Huisman Universiteit Twente

Zie Nieuws

Sander Huisman kandidaat Simon Stevin Gezel 2015

UT- alumnus Sander Huisman is een van de drie genomineerden voor de titel Simon Stevin Gezel 2015. Voor de titel Simon Stevin Gezel 2015 zijn drie kandidaten geselecteerd: Sander Huisman, Daniele Raiteri en Branko Šavija. Zij strijden om de titel tijdens het jaarcongres van STW op 5 november 2015. Daar presenteren zij hun promotieonderzoek, waarna het publiek een winnaar aanwijst. Huisman (Master Natuurkunde 2010 Universiteit Twente) onderzocht de werking van turbulente stromingen.

Als we de tuin besproeien of het gasfornuis aansteken, staan we er niet bij stil dat we turbulente processen in gang hebben gezet. Het lijkt alsof water en gas ons bereiken in een keurige regelmatige stroom door de leidingen. In werkelijkheid zijn de stromingen vaak turbulent, en in natuurkundig opzicht chaotisch.

Overal waar vloeistoffen of gassen in het spel zijn, komen turbulente stromingen voor. Dat gebeurt net zo goed in gas- en oliepijpleidingen van honderden kilometers lang als bij stromingen in de oceaan of in de atmosfeer. Zelfs op microscopische schaal treedt turbulentie op, bijvoorbeeld in de vloeistofkanaaltjes van een lab-on-a-chip, of bij diffusieprocessen in cellen.

Passie

Turbulente stromingen behoren tot de meest fundamentele natuurverschijnselen op aarde. Toen Sander Huisman een promotieplek aangeboden kreeg waarbij hij fundamenteel onderzoek naar turbulentie zou kunnen doen, was hij meteen enthousiast. Huisman: ‘Tijdens mijn bachelor en master hield ik me al bezig met turbulente processen. Turbulentie is echt mijn grote passie. Je kunt het gedrag van een turbulent systeem op macroschaal en op microschaal exact door prachtige natuurkundige vergelijkingen beschrijven. Maar ondanks dat het een volledig gedetermineerd systeem is, is er sprake van chaos.’

Huisman had bij zijn promotieonderzoek eerst een half jaar nodig voor het opstellen en kalibreren van de grootste meetopstelling in zijn soort: een zogeheten Taylor-Couette-systeem. Daarbij draaien twee even lange cilinders met verschillende doorsnee om elkaar heen. De binnenste cilinder draait de ene kant om, de buitenste cilinder de andere kant. Tussen beide cilinders komt vloeistof te zitten, en zodra de cilinders gaan draaien, ontstaat in de vloeistof turbulentie.

Huisman: ‘Tijdens mijn master had ik een laser-doppler-anemometer gebruikt, waarmee je contactloos de snelheid van deeltjes in een stroming kunt meten. Die heb ik gecorrigeerd voor de ronde vorm van de cilinders, zodat we de snelheid van de deeltjes tot op heel kleine schaal met grote nauwkeurigheid kunnen meten. Je kunt daarmee inzoomen op de allerkleinste wervelingen.’

Prachtige resultaten

De eerste metingen keken naar de invloed van verschillende snelheden van de cilinders op de daartussen zittende vloeistof. De cilinders kunnen tegen elkaar in draaien met een snelheidsverschil van maximaal 150 km/uur. Ook de afstand tussen de cilinders is te variëren. De eerste metingen kwamen fraai overeen met de theorie. Ze bleken ook te kloppen met een andere manier van meten, waarbij deeltjes van een paar micrometer groot worden toegevoegd aan de stroming, waarna die met een hogesnelheidscamera worden gefilmd.

Huisman: ‘De metingen leverden prachtige resultaten op, die in het toonaangevende Physical Review Letters prominent zijn gepubliceerd.’ Bij verdere metingen kwam er een interessant verschil aan het licht tussen de theorie en de meetwaarden. In de jaren veertig van de vorige eeuw had de Russische wiskundige Andrej Nikolajevitsj Kolmogorov (1903-1987) gesteld dat er in extreem turbulente systemen nog maar één toestand van turbulente stroming kon heersen. Huisman: ‘De turbulentie zou de hele faseruimte kunnen verkennen door de extreem grote fluctuaties in de stroming. Maar onze metingen lieten zien dat er zelfs bij waarden waarvoor gedacht werd dat die volledig turbulent zouden moeten zijn, er nog steeds aantoonbaar meerdere in elkaar gelaagde, donut-vormige wervelingen voorkomen.’

Huisman was de eerste die dit kon laten zien, omdat het nog niet eerder mogelijk was om zulke sterke turbulenties op te wekken in een gesloten systeem, en die ook nog zo precies te meten. ‘Ook als je naar patronen in wolken kijkt, waar nog veel hogere turbulentiewaarden heersen dan wij in onze metingen kunnen opwekken, zie je soms een duidelijk structuur. Dat is ook een aanwijzing dat onze metingen juist zijn en de theorie niet compleet is.’

Praktische toepassingen

De kennis is theoretisch, maar er zijn talrijke gebieden waarop het toegepast kan worden. Zo is kennis van turbulentie cruciaal om het grenslaaggedrag tussen vloeistof en oppervlakten te begrijpen, bijvoorbeeld om te zien hoe de weerstand tussen de romp van een schip en het water kan worden verminderd, of de weerstand in een pijpleiding. Ook speelt het een belangrijke rol bij het voorspellen van het magnetisch veld van de aarde, of in filtratieprocessen om plasma uit bloed te halen.

Huisman: ‘Turbulentie is echt overal. Ook de vloeistoffen en gassen die we in ons dagelijks leven continu gebruiken zijn veel vaker turbulent dan dat ze dat niet zijn. Het is daarom van groot belang een diepe, fundamentele kennis van turbulente stromingen te hebben.’

Als postdoc gaat Huisman in Frankrijk verder onderzoek doen naar turbulentie, met name naar de vraag hoe onder invloed van turbulentie deeltjes clusteren. Huisman: ‘Dat blijf ik zo buitengewoon fascinerend aan dit onderwerp vinden: de combinatie van machtige formules en concrete toepassingen.’

Bron: website STW

Janneke van den Elshout
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)