Turbulente convectie blijkt per fase anders te werken

De aanname dat turbulentie geheel wordt bepaald door dimensieloze kengetallen en dus in een vloeistof precies zo werkt als in een gas, klopt net niet helemaal. Als in een systeem sprake is van grote temperatuurverschillen, gaan ook andere effecten merkbaar meespelen. Dat melden prof. Detlef Lohse (Universiteit Twente) en zijn promovendus Francisco Fontenele Araujo deze week in Physical Review Letters.

De Twentse wetenschappers deden samen met collega’s van de University of California (Santa Barbara) onderzoek naar turbulente Rayleigh-Bénard-convectie. Dit is het verschijnsel waarbij warme lucht of vloeistof beurtelings opstijgt, afkoelt, weer omlaag spiraalt en weer wordt opgewarmd. Gewoonlijk wordt hieraan gerekend volgens de methode van Oberbeck en Boussinesq (OB), waarbij wordt aangenomen dat alleen de dichtheid afhankelijk van de temperatuur is en alle andere eigenschappen constant blijven.

Bekend was al dat die laatste aanname wat kort door de bocht is, zeker bij gassen. Afwijkingen staan bekend als Non-Oberbeck-Boussinesq-effecten (NOB’s). Maar meestal wordt voor het gemak aangenomen da ze verwaarloosbaar zijn.

Fontenele Aurajo en Lohse hebben nu voor het eerst een kwantitatieve vergelijking gemaakt van OB- en NOB-convectie. Bij vloeistoffen, met name water en glycerol, kwam daar uit dat de NOB-effecten in theorie leiden tot een toename van de middentemperatuur en een afname van de warmtegeleiding. In Californië werd dat experimenteel bevestigd.

Vervolgens is onderzocht wat er gebeurt bij gasvormig ethaan. Dit keer bleek dankzij de NO-effecten de middentemperatuur juist te dalen, vergeleken met de gemiddelde top- en bodemtemperatuu. De effectieve warmtegeleiding nam hierbij toe. De effecten waren bovendien groter dan bij een vloeistof. iet alleen is dit effect omgekeerd aan dat voor NOB-convectie in vloeistof, het is ook groter.

Bij grote temperatuursverschillen moet je de NOB-effecten dus kennelijk wel degelijk meenemen in je berekeningen, zo concluderen de onderzoekers.

bron: FOM