Stromingsgedrag

Gisteren is de vakgroep stortgoedtechnologie van de Twentse universiteit opgeheven. Een nieuwe bezuinigingsronde is de groep fataal geworden. Felle pleidooien van de procesindustrie hebben geen effect gehad en de vakgroepleden hebben de universiteit inmiddels verlaten of zijn bij andere groepen ondergebracht. De oprichter van de groep, prof.dr.ir. F.J.C. Rademacher, zit thuis en voelt zich in meer dan een opzicht bedonderd.

Stortgoedtechnologie is de aan grondmechanica verwante discipline die zich bezig houdt met transport en opslag van 'stortgoed' dat op zijn beurt een aanduiding is voor allerlei korrelig of brokkelig materiaal dat gewoonlijk onverpakt wordt vervoerd of bewaard. Stortgoed (bulk solids) loopt van eipoeder en poedersuiker, via cement, zand en waspoeder tot erwten, suikerbieten, steenkool en ijzererts. Stortgoed kan stromen, maar het stromingsgedrag is moeilijk te analyseren en in modellen vast te leggen. Voorspellingen over het gedrag van stortgoed hebben vaak een onzekerheid van meer dan tien procent.

Het is dat fenomeen, zegt Rademacher, dat de discipline in Nederland maar ook daarbuiten, in het verdomhoekje heeft gebracht. Je kunt er niet veel eer mee inleggen en het heeft weinig zin er hoogdravende wiskunde op toe te passen.

Bedonderd of niet: Rademacher zit nu thuis en is daar des te makkelijker te consulteren. Er was intrigerend nieuws, de afgelopen maanden, over zandlopers. Onderzoekers hadden vastgesteld dat zandlopers op de keper beschouwd discontinu of intermitterend leeglopen en dus als het ware 'tikken'. Dat grof zand zoiets deed was al bekend, grove korrels vormen net als hagelslag in zijn doosje met regelmaat koepels of bruggen die de uitstroomopening tijdelijk blokkeren. Dat heel fijn zand het ook deed was nieuw. De onderzoekers schrijven het toe aan luchtdrukverschillen tussen de twee delen van de zandloper (Physical Review Letters, vol 71, pagina 1363). In een experimenteel geopende zandloper treedt het niet op.

Dit, en de notitie van een lezer dat zandlopers nooit in beide richtingen even hard lopen, was aanleiding voor het AW-laboratorium om ook eens wat zandloperwaarnemingen te verrichten. V&D leverde voor een paar gulden een loper in nostalgische vatting, een Zwitsers kwartshorloge verzorgde de tijdmeting.

En meteen raak: het vijfminuten lopertje liep in de ene richting stelselmatig 2,5 procent sneller dan in de andere. Met een acht maal vergrotende loep was het intermitterend karakter van het leeglopen in de vernauwing, dat de zandstraal doet bibberen als een oude hond, goed te volgen. Het wekte de verwachting dat er wel meer viel te ontdekken.

Zou, bij voorbeeld, het betrommelen van de loper invloed hebben op de loopsnelheid? Waarachtig, de betrommelde loper liep wel 7 procent harder.

Daarna werd de invloed van de temperatuur op het leeglopen onderzocht, veel meer viel er immers niet te variëren. Het was genoeg: de loper in smeltend ijs liep 3 procent harder dan een loper van kamertemperatuur, verhitting in de hete lucht boven een gaskachel drukte de snelheid juist met bijna 6 procent.

Aan Rademacher de duiding. Een zandloper met zand is immers een silo met stortgoed. Het artikel in Physical Review Letters had Rademacher niet geïmponeerd. 'Het verhaal over dat tikken is al dertig jaar bekend en er is destijds wel voorgesteld het fenomeen - met een gevoelige microfoon ook hoorbaar te krijgen - te gebruiken voor capaciteitvoorspellingen over de stroming van stortgoed. Onzin, natuurlijk.''

Dat zandlopers in beide richtingen niet even snel leeglopen komt gewoon door asymmetrie in de bouw van de glazen compartimenten. Ook het effect van het trommelen is bekend: de vibraties doen de genoemde koepels of bruggen net even eerder opbreken dan dat 'spontaan' zou zijn gebeurd. (Interessant is overigens dat de invloed van een Braun-scheerapparaat op het leeglopen heel gering is. Drukt men de hevig trillende Braun tegen de lopende zandloper, dan raakt subiet de gehele zandloper aan het draaien binnen zijn houdertje en treden vreemde horizontale wervelingen op in het zand, maar harder lopen is er nauwelikks bij: 2 procent versnelling op zijn hoogst.)

Aan de gesignaleerde invloed van de temperatuur kon Rademacher weinig verhelderen. In al zijn eenvoud is het zandlopersysteem gecompliceerd genoeg om ad hoc verklaringen uit te sluiten. Zowel het glas als het aan glas verwante zand zal bij temperatuurverhoging uitzetten. Bovendien is er een invloed op de lucht die, tegen de zandbeweging in, tussen de poriën van het zand omhoog moet stromen. Druk en viscositeit van die lucht nemen toe als men de zandloper verhit, maar wat daarvan het netto-effect is is onduidelijk. Met opzet wordt voor de lopers éénkorrelig zand gekozen dat veel poriën heeft; de korrelverdeling van natuurlijk zand is meestal ongunstiger.

He groot is de kans, vraagt de AW-redactie, dat de fabrikant vacuüm in zijn zandloper aanbrengt? Dan ben je in een keer van alle luchtinvloed af. Waarschijnlijk is het niet, denkt Rademacher, maar het is een leuk idee. Ik geloof niet dat wij daar ooit over nagedacht hebben.

Zo ontstond een onweerstaanbaar verlangen om de nieuwe zandloper behoedzaam kapot te knijpen. Hoe snel zou hij, uitstromend in de vrije atmosfeer, leeglopen? Langzaam. Een paar procent langzamer dan in een gesloten loper. De voor de hand liggende duiding daarvan wordt nog even opgeschort. Wie dezer dagen ook eens een V&D-loper kapot knijpt wordt aangespoord een blik te werpen op de schitterende 'retroreflectie' van de uigestorte korrels. Retroreflectie kent men van de verkeersborden en van de witte strepen op de weg. Het wordt opgewekt door goed gesorteerde bolvormige glazen korreltjes. De zandloper van V&D bevat dus glas in plaats van zand.