Stichting FOM
25 januari 2010, 2010/05
Succes voor granulaire hydrodynamica: convectie door vloeistofvergelijkingen
beschreven
Thermische convectie treedt niet alleen op in gassen en vloeistoffen
maar ook in granulaire (korrelvormige) materie. En dat is niet het
enige nieuws. In samenwerking met de universiteiten van Patras en
Bangalore hebben onderzoekers van de Physics of Fluids groep aan de
Universiteit Twente en de Stichting FOM recent aangetoond dat ook de
granulaire convectierollen uitstekend door vloeistofvergelijkingen
beschreven kunnen worden. Dit is een opmerkelijk succes voor de
granulaire hydrodynamica. De onderzoekers publiceerden hun resultaten
op 22 januari in het toonaangevende tijdschrift Physical Review
Letters.
vergroten Figuur 1. De vorming van een granulaire convectierol
Een dichte granulaire vloeistoflaag drijft bovenop een veel ijlere
gaslaag (a). Als de schudsterkte iets verhoogt wordt, breekt de
gasfase door de bovenlaag heen (b,c) en ontstaan er granulaire
convectierollen in het hele systeem (d).
Thermische convectie is een bekend verschijnsel. Als men een pannetje
water op het vuur zet wordt de vloeistof aan de onderkant verwarmd,
krijgt een lagere dichtheid dan de omringende vloeistof en wil
daardoor opstijgen. Als gevolg hiervan ontstaan convectierollen in de
vloeistof, een fenomeen dat bekend staat als Rayleigh-Bénard
convectie.
Een zeer vergelijkbaar verschijnsel treedt op als granulaire materie
met kracht geschud wordt in een container: er ontstaat dan een dicht
opeengepakte laag granulaire vloeistof die als het ware drijft op een
laag granulair gas (figuur 1a). Dit gas bestaat uit een relatief klein
aantal, heftig bewegende kogeltjes die de trage deeltjes in de
vloeistoffase omhoog stuwen. Net als in het water heeft de onderlaag
een lagere dichtheid dan de bovenlaag. En als men de mate waarin de
deeltjes bewegen vertaalt in een (granulaire) temperatuur is deze ook
hier onder hoger dan boven.
Door de schudsterkte iets te verhogen gaan de kogeltjes in de gasfase
nog harder bewegen (ze worden nog warmer) en wordt het gas plaatselijk
zo ijl dat het door de vloeistoflaag heen begint te breken (figuur
1c). Als men iets langer wacht ontstaan er zo convectierollen in het
hele systeem die heel sterk aan de Rayleigh-Bénard rollen in een
moleculaire vloeistof doen denken.
De onderzoekers in Twente laten het niet bij de waarneming van dit
opmerkelijke fenomeen, maar beschrijven het zelfs met
vloeistofvergelijkingen die vrijwel identiek zijn aan die waarmee ook
de Rayleigh-Bénard convectie wordt beschreven: het grootste verschil
wordt gevormd door een extra term die het energieverlies ten gevolge
van de inelastische botsingen in rekening brengt. De onderzoekers
vinden zeer goede overeenstemming tussen hun theorie, de experimenten
en deeltjessimulaties, een opmerkelijk succes voor de granulaire
hydrodynamica.
Informatie
Wilt u meer informatie over dit onderzoek? Neem dan contact op met
Devaraj van der Meer (053) 489 23 87, of Detlef Lohse.
Referentie
Peter Eshuis, Devaraj van der Meer, Meheboob Alam, Henk Jan van
Gerner, Ko van der Weele en Detlef Lohse, Onset of Convection in
Strongly Shaken Granular Matter, Phys. Rev. Lett. 104, 038001 (2010).