De vorming van een waterjet na de inslag van een voorwerp

Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Twente en de Universiteit van Sevilla in Spanje hebben een goede verklaring gevonden voor de vorming en het gedrag van de zeer snelle waterstraal die na de inslag van een voorwerp op een wateroppervlak ontstaat. Met een supersnelle camera kunnen ze precies waarnemen wat er gebeurt. Ze hebben een computersimulatie van het proces gemaakt die laat zien hoe de jet laag voor laag omhoog wordt geperst door de omringende waterdruk. Dit komt zeer goed overeen met de waarnemingen. Op basis hiervan hebben ze een theoretisch model geformuleerd dat de enorme snelheid van de waterstraal verklaart. Ze publiceren hun bevindingen 23 januari 2009 in het gerenommeerde vakblad Physical Review Letters. De resultaten zijn niet alleen wetenschappelijk van betekenis. Jets na inslag van een voorwerp op een vloeistof komen in de natuur en de industrie veelvuldig voor.

vergroten Figuur 1a. Inslag op een wateroppervlak
Bij de inslag van een cirkelvormige schijf op een wateroppervlak ontstaat een met lucht gevulde holte die in elkaar klapt, waarna een krachtige waterjet omhoog schiet. Deze figuur laat daar het begin van zien. Figuur 1b. toont het vervolg, 1c. het in elkaar klappen van de holte en 1d. de waterjet.

vergroten Figuur 1b. Inslag op een wateroppervlak

vergroten Figuur 1c. In elkaar klappende holte

vergroten Figuur 1d. Omhoog schietende waterjet

vergroten Figuur 2. Close-up van de waterjet

Als men een steen in een vijver laat vallen spuit er een dunne, zeer snelle straal water, een zogenaamde jet, omhoog – een alledaags verschijnsel dat zowel in de natuur als in de industrie veelvuldig voorkomt. Maar alleen als men er met een hoge-snelheidscamera naar kijkt openbaart zich de rijke en complexe dynamica van het systeem, waarin de neerwaartse beweging van het voorwerp wordt omgezet in de opwaartse beweging van de jet. Tijdens de inslag op het wateroppervlak vormt zich een holte achter het voorwerp. Deze holte wordt vervolgens door de hydrostatische druk samengedrukt en dat leidt tot de vorming van de jet. In hun experimenten laten FOM-promovendus Stephan Gekle, José Manuel Gordillo van de universiteit van Sevilla en Devaraj van der Meer en Detlef Lohse van de Universiteit Twente zien hoe de wand van de holte tijdens het in elkaar klappen de jet omhoog perst, net als tandpasta die een tube uit geknepen wordt, maar dan natuurlijk vele malen sneller. Overigens ontstaat tegelijkertijd ook een jet die naar beneden is gericht, dieper de vloeistof in. Hier is echter aan het oppervlak niets van te merken.

Om de dynamica van de inslag op een zeer gecontroleerde manier te bestuderen gebruiken de onderzoekers een cirkelvormige schijf die door een lineaire motor met constante snelheid door het wateroppervlak getrokken wordt. Hiervan worden vervolgens met een hoge-snelheidscamera opnamen met tot 30.000 beelden per seconde gemaakt, waarop zowel de vorming en insnoering van de holte als het ontstaan van de jet tot in detail te volgen zijn. Een computersimulatie van het proces – die zeer goed met het experiment overeenkomt – maakt het de onderzoekers mogelijk het bijbehorende stromingsprofiel te bestuderen. Het blijkt dat de jet laag voor laag door de imploderende wand omhoog geperst wordt. Gebaseerd op deze waarneming hebben ze een theoretisch model geformuleerd dat de enorme snelheid van de waterjet verklaart.

Meer informatie bij Stephan Gekle, telefoon (053) 489 24 87 of Devaraj van der Meer, telefoon (053) 489 23 87.

Referentie:
High-speed jet formation after solid object impact, Stephan Gekle¹, José Manuel Gordillo², Devaraj van der Meer¹ en Detlef Lohse¹, Phys. Rev. Lett. 102, 034502 (2009).
Physical Review Focus besteede ook aandacht aan het onderzoek.

_______________
¹ Physics of Fluids, University of Twente, The Netherlands
² Grupo de Mecánica de Fluidos, Universidad de Sevilla, Spain

Top