Zuiniger varen met bellen

Luchtbellen in een vloeistof verminderen de turbulentie en daarmee de wrijvingsweerstand op bijvoorbeeld een schip. Dat komt door hun vervormbaarheid.

HET INJECTEREN van belletjes in een turbulente stroming leidt tot minder weerstand. Dit principe, dat in de scheepvaart en bij transport van olie door pijpleidingen groot nut kan hebben, is al langer bekend maar een goed begrip van de achterliggende oorzaak ontbrak tot nu toe. Met een elegante proefopstelling heeft de natuurkundige Ramon van den Berg, promovendus aan de groep vloeistoffysica van de Universiteit Twente, klaarheid gebracht. Verantwoordelijk voor de afname in drag blijkt de vervormbaarheid van de bellen. Het resultaat wordt gepubliceerd in Physical Review Letters (4 febr).

Bij een turbulente stroming stoomt een vloeistof niet gelijkmatig langs een oppervlak maar treden er wervelingen op die voor een scherpe toename van de weerstand zorgen. Wanneer precies een stroming overgaat van gladjes (laminair) naar turbulent hangt af van de stroomsnelheid en de stroperigheid van de vloeistof. Hoe sneller de stroming en hoe dunner de vloeistof, hoe eerder er wervelingen ontstaan. Beide factoren komen samen in het Reynoldsgetal, een maat voor de graad van turbulentie.

``De implicaties van weerstandsafname door belletjes aan de vloeistof toe te voegen zijn enorm'', zegt Van den Berg. ``In Japan, scheepsbouwland nummer één, zijn inmiddels proeven gedaan met olietankers met luchtbelletjes om hun huid. Een reductie van 20 procent in brandstofkosten blijkt alleszins reëel. Het onderzoek zit nog in de ontwikkelfase maar de perspectieven zijn goed. Toevoegen van polymeren aan de vloeistof sorteert hetzelfde effect. In de scheepsbouw ligt dat lastig, want dat geeft vervuiling van het zeewater, maar in Alaska wordt het toegepast in oliepijpleidingen. Een beetje polymeer in de olie, en de helft van het aantal tussenstations om de zaak door te pompen raakt overbodig.''

Zicht op het precieze mechanisme achter de lagere wrijvingsweerstand door toedoen van belletjes ontbrak tot nu toe. Simulaties hebben twee verklarende theorieën opgeleverd. In het ene model beïnvloeden de bellen de dichtheid van de turbulente grenslaag. Bellen nestelen zich vooral ter plekke van de wervels in de turbulente grenslaag tussen vloeistof en bewegende wand. Effectief geeft dat een samendrukbaarheid van de vloeistof die het ontstaan van wervels tegengaat. Theorie twee houdt de vervormbaarheid van de individuele bellen verantwoordelijk voor het inzakken van de weerstand. Bellen zouden regionen met veel wervels van de wand wegduwen.

Ramon van den Berg heeft experimenteel getoetst onder welke omstandigheden beide theorieën geldig zijn. Het idee voor zijn proefopzet kreeg hij toen hij als student in de Verenigde Staten stage liep bij Dan Lathrop, hoogleraar aan de Universiteit van Maryland. Die had in zijn laboratorium een Taylor-Couettesysteem, twee cilinders met vloeistof ertussen. Van den Berg: ``Het is een complex geheel met zeer gladde wanden en perfect ronde cilinders. Groot voordeel is dat het een gesloten systeem is, zodat de variabelen nauwkeurig instelbaar zijn. Als promovendus ben ik vorig jaar naar Maryland teruggegaan om turbulentieproeven te doen.''

De Amerikaanse meetopstelling heeft een stilstaande buitencilinder (diameter 42 cm) en een roterende binnencilinder (32 cm). Ze staan vertikaal. De vloeistof tussen beide is tot op 0,1 graad Celsius nauwkeurig op temperatuur te houden. De torsie die de draaiende binnencilinder voelt is een directe maat voor de wrijving tussen wand en vloeistof. Van den Berg ging het effect van bellen op deze weerstand na door onderin de cilinder op acht plaatsen belletjes te injecteren (diameter 0,1 mm). Bij een constant Reynoldsgetal had de injectie van belletjes als effect dat de wrijving tussen wand en vloeistof met twintig procent inzakte.

Om uit te maken wanneer de verschillende theorieën van toepassing zijn, heeft Van de Berg zijn proef nog eens overgedaan met holle glazen kogeltjes in plaats van luchtbellen. Die ingreep tast de effectieve samendrukdrukbaarheid van de vloeistof (verklaring één) niet aan, maar ineens zijn de individuele bellen niet langer vervormbaar zodat verklaring twee afvalt. De uitkomst van dit vervolgexperiment was dat de wrijvingsweerstand (in het turbulente regime) juist groter was dan die bij zuivere vloeistof. Conclusie: beide geopperde verklaringsmechanismen spelen een rol. Bij een lagere graad van turbulentie heeft effectieve compressie van de vloeistof de overhand, bij sterkere turbulentie is de vervormbaarheid van de bellen dominant.

De komende twee jaar hoopt Ramon van den Berg de turbulente grenslaag beter in beeld te krijgen. Zo gaat hij een ruwe in plaats van een gladde binnencilinder hanteren en ook variaties in de groottes van de belletjes en de dichtheid van de vloeistof staan op stapel. ``Het gaat om een intrigerend verschijnsel, het apparaat in Maryland is er geknipt voor en het nut van dit soort onderzoek is evident.''

    • Dirk van Delft