Het effect van turbulente stromingen is duidelijk. Maar deze kunnen vooralsnog niet wetenschappelijk gedefinieerd worden. Daarmee is het een van de grootste onopgeloste natuurkundige problemen. Een wereldwijd team van toonaangevende natuurkundigen wil het probleem nu oplossen met een nieuwe methode.

Turbulente stromingen zijn alom aanwezig: in oceanen, langs voertuigen, of door pijpleidingen. Turbulentie is bepalend voor wrijvingsverlies, voor transporteigenschappen en mengbaarheid. Er is echter nog steeds geen fundamenteel inzicht in het ontstaan van turbulentie en de principes waarop het is gebaseerd.

De beweging van vloeiende (laminaire) stroming kan nauwkeurig worden beschreven met behulp van vergelijkingen uit Newton’s bewegingswetten (de Navier Strokes-vergelijkingen). Voor bewegende stromen gelden deze vergelijkingen echter niet. Zelfs wanneer de allergrootste computers ter wereld worden gebruikt.

Onopgelost natuurkundig probleem

Het fenomeen wordt beschouwd als een van de grootste onopgeloste fysische problemen. Een beter wetenschappelijk inzicht in deze materie zou kunnen worden gebruikt voor diverse praktische toepassingen. Van meteorologie en oceanografie tot astrofysica en aërodynamica. Zo zouden bijvoorbeeld gevaarlijke weersomstandigheden zoals orkanen of tornado’s nauwkeuriger kunnen worden voorspeld – en zou de modellering van de aerodynamica van vliegtuigen aanzienlijk kunnen worden ondersteund.

Nieuwe methode

Een internationaal consortium van vooraanstaande natuurkundigen wil nu nieuwe technieken toepassen en het probleem van turbulente stromingen beter definiëren, conceptualiseren en in kaart brengen. Het doel is de aard van turbulente stromingen beter te beschrijven aan de hand van de statistische eigenschappen van turbulente vloeistoffen. De nieuwe methode moet leiden tot een nieuw conceptueel kader voor de beschrijving van turbulentie. Dit conceptueel kader zou het vermogen om reële turbulente stromen te voorspellen kunnen vergroten.

Deelname van IST Oostenrijk

Professor Björn Hof, natuurkundige op het gebied van vloeistofdynamica aan het Institute of Science and Technology IST Austria, nabij Wenen, is een van de leden van het team. Hij is hoofd van een onderzoeksgroep op het gebied van niet-lineaire dynamiek en turbulentie. De groep combineert gedetailleerde laboratoriumexperimenten met hoge-resolutie computersimulaties. Met behulp van methoden uit de niet-lineaire dynamiek en statistische fysica zoekt het team naar essentiële aspecten van de overgang tussen laminaire en turbulente stroming. Het doel is om universele kenmerken te identificeren die deze overgang gemeen heeft met andere ongeordende fysische verschijnselen. Sommige van deze inzichten kunnen worden gebruikt om turbulente stromingen te beheersen. De groep werkt actief aan de ontwikkeling van dergelijke methoden.

Onderzoeksfinanciering

Het consortium heeft 3,7 miljoen euro aan onderzoeksfinanciering ontvangen van de Simons Foundation in New York. Deze in 1994 opgerichte stichting ondersteunt projecten die zich op het grensvlak van fundamenteel onderzoek bevinden. De financiering is bedoeld voor het gebruik van experimentele technieken die doorgaans voortkomen uit interdisciplinaire onderzoeksgroepen voor fundamenteel onderzoek.