Om het gedrag van stromingen te analyseren, worden vaak optische methodes zoals lasers of camera’s toegepast. Maar als de stromen ondoorzichtig zijn, door de aanwezigheid van deeltjes, druppeltjes of bellen, zijn deze methodes onbruikbaar. En dat zijn nou precies de stromingen die het vaakst voorkomen in de natuur en de industrie, zegt Christian Poelma, hoogleraar multiphase systems aan de TU Delft. ‘Ondoorzichtige stromingen kom je vaak tegen in de chemische industrie. Denk bijvoorbeeld aan buisreactoren met daarin katalysatordeeltjes of fluïde bed reactoren. In de levensmiddelensector zie je veel olie-water mengsels, die zijn niet transparant. En ook bloedstromen zijn ondoorzichtig.’ 

Energie besparen 

Poelma bestudeert het gedrag van deze ondoorzichtige stromingen. ‘Het is heel relevant om te kunnen voorspellen en begrijpen hoe een stroming zich gedraagt. Bijvoorbeeld om de drukval over een leiding te berekenen. Die bepaalt hoe hard een pomp moet draaien voor een efficiënte stroming. Als je een pomp op hoge capaciteit laat draaien wordt de flow turbulent en gaat de stroom wel snel, maar dat kost ook veel energie. Door het gedrag van de stroming beter te begrijpen, kan een pomp wellicht op een lagere capaciteit draaien voor meer efficiency. Zodoende kan energie worden bespaard.’  

Medische wereld 

Maar dergelijke ondoorzichtige stromingen kunnen niet met standaard optische technieken worden geanalyseerd. ‘Dat geldt vaak al als er 0,5 tot 1 procent deeltjes in de stroom aanwezig zijn.’ Poelma haalde inspiratie uit de medische wereld om dit type flows beter te kunnen analyseren. ‘Technieken zoals ultrageluid en MRI zijn ontwikkeld om door iets ondoorzichtigs te kijken. Dus leek het me de moeite waard om te zien of we die ook voor deze stromingen kunnen gebruiken.’ Dat de meettechnieken uit een compleet andere sector kwamen was wel één van de moeilijkheden van dit project. ‘Medische apparatenbouwers vonden het maar vreemd dat we hun apparatuur wilden gebruiken om belletjes en deeltjes te meten. Dat was soms wel lastig uit te leggen.’  

Slurries 

De afgelopen vijf jaar werkte Poelma samen met vier promovendi en twee postdocs aan het onderzoek. ‘Dankzij een ERC-beurs [European Research Council, red.] konden we echt doorpakken in het verwerven van fundamentele kennis.’ De onderzoekers bestudeerden een aantal standaardstromingen met behulp van verschillende analysetechnieken: ultrageluid, magnetische resonantie, röntgenstraling en geavanceerde optische meettechnieken. ‘De continue fase was altijd water, de deeltjes meestal polystyreen of een ander materiaal dat een vergelijkbare dichtheid heeft als die van water. De reden hiervoor is dat zo de effecten van de zwaartekracht minimaal zijn.’ In het project werden turbulente en laminaire stromingen bestudeerd. De groep van Poelma onderzocht slurries met deeltjes van enkele micrometers groot en stromingen die relatief grote deeltjes met een doorsnede van 1 tot 2 millimeter bevatten.  

Laminair-turbulent 

Het onderzoek leverde interessante informatie op over het gedrag van flows met deeltjes, in de overgangsfase van laminair naar turbulent. ‘Hier is nog weinig over bekend. Uit onze metingen kwam naar voren dat meerfasenstromingen met vaste deeltjes zich in dit overgangsgebied heel anders gedragen dan éénfase-stromingen.’ Terwijl de turbulentie in water-gas-stromingen rondom een Reynoldsgetal van ongeveer 2000 in plukjes ontstaat, is dat bij flows met deeltjes heel anders. ‘Vanaf een Reynoldsgetal van 1000 werd de hele stroom geleidelijk aan turbulent. Dat geldt al bij een gemiddelde belading van 15 tot 20 procent. We kunnen nu beter voorspellen welk scenario zal plaatsvinden bij een bepaalde belading.’ De onderzoekers proberen op basis van deze gegevens een functie op te stellen om de drukval te kunnen voorspellen. ‘We hebben gezien dat deze afhankelijk is van de hoeveelheid deeltjes, de diameter van de buis en de stroomsnelheid.’ 

Cavitatie 

Een deel van het onderzoek richtte zich daarnaast op cavitatie; een tweefasenstroom die ontstaat door het vormen van dampbellen in water. ‘Ook daar is nu nog weinig kennis over. We brachten voor het eerst kwantitatief in kaart hoeveel damp er precies ontstond bij het caviteren in een venturi.’ Voor de niet-ingewijden: een venturi is een buis met een vernauwing. Als door zo’n buis vloeistof of een meerfasenstroom gaat, neemt de druk af op de plek van de vernauwing, terwijl de stroomsnelheid toeneemt. Die drukverlaging kan zodanig groot zijn, dat er cavitatie optreedt: door de verlaagde druk, verlaagt ook het kookpunt en ontstaan er dus gasbellen. Zodra de druk weer toeneemt, voorbij de vernauwing, imploderen die gasbelletjes weer. Dat kan leiden tot drukgolven, die weer schadelijk zijn voor apparatuur. Doordat het nu mogelijk is om de hoeveelheid gas te meten, kun je berekenen welke kracht er vrijkomt door implosies van de belletjes. Dit kan helpen om beter in te schatten wat de risico’s voor de apparatuur zijn.   

Afmetingen 

Om de praktijkdata te staven aan de theorie zijn ook computersimulaties uitgevoerd. ‘Voor sommige experimenten bleken de metingen zeer goed overeen te komen met de simulaties. Maar voor stromingen met een hoge belading, veertig tot vijftig volumeprocent deeltjes, bleek dat helemaal niet zo goed te kloppen. Dat komt waarschijnlijk doordat de deeltjes in de praktijk niet allemaal dezelfde doorsnede hebben. In de computersimulatie is dat wel het geval.’ Een volgende stap in het onderzoek is deze spreiding van de deeltjesgrootte mee te nemen in de modellen en ook de invloed van de zwaartekracht te beschouwen. Daarom gaat Poelma ook stromingen met zwaardere deeltjes onderzoeken. Een andere onderzoekslijn is de reologie van suspensies. ‘Als de belading, de volumefractie, hoog genoeg is, meer dan 25 procent, dan zal de suspensie zich niet-Newtoniaans gaan gedragen. De viscositeit is niet meer constant, maar een functie van de snelheidsgradiënten.’ Nu het ERC-onderzoek in de afrondende fase is, heeft Poelma twee nieuwe onderzoekers aangesteld. Eén van hen richt zich specifiek op de toepassingen in de levensmiddelenindustrie. De andere onderzoeker gaat MRI-analyses uitvoeren, onder andere aan fluïde bedden.