Korrels aan de kook

Als korrels in een bak heftig worden geschud, vertonen ze hetzelfde gedrag als water dat aan de kook wordt gebracht. Er treedt convectie op, met de typerende rollende beweging die ook in water te zien is. Promovendus Peter Eshuis van de Universiteit Twente heeft dit opmerkelijke verschijnsel nu voor het eerst aangetoond in ‘granulaire’ materialen. Zijn onderzoek werpt meer licht op het gedrag van deze materialen die in de natuur veel voorkomen en door de industrie op grote schaal worden geproduceerd. Eshuis promoveerde op 14 februari aan de faculteit Technische Natuurwetenschappen.

Convectie uit zich door ronddraaiende bewegingen, ‘rollen’. In water dat aan de kook wordt gebracht, is het de manier om warmte kwijt te raken: de draaiende rollen ontstaan als warme vloeistof opstijgt en koudere vloeistof neerdaalt. Ditzelfde fraaie effect is te zien bij een experiment met bolletjes die worden geschud: het begint met een eruptie van opstijgende snelle bolletjes die weer neerdalen en een roterende beweging gaan maken. Net als in de vloeistof zijn er bolletjes met lagere energie, die bij elkaar gaan zitten -clusteren-, en kogeltjes met hoge energie die snel bewegen. De mate waarin de kogels worden geschud is doorslaggevend voor het optreden van het fenomeen en is eigenlijk vergelijkbaar met de temperatuur van de kookplaat bij vloeistoffen.

Granulaire convectie, met de rollende beweging die ook optreedt in water dat aan de kook raakt. Zie ook het filmpje door op de foto te klikken.

Zweven
Ook vóórdat convectie optreedt, dus als de kogels iets minder sterk worden geschud, treedt al een fenomeen op dat bekend is uit de wereld van vloeistoffen: de vloeistof zweeft dan boven het hete oppervlak, boven een dunne laag damp. Dit ‘Leidenfrost effect’ is ook te zien bij de geschudde bolletjes: een heel samengepakt cluster van bolletjes wordt opgetild door een klein aantal bolletjes dat snel kan bewegen en model staat voor ‘granulair gas’. Eshuis beschrijft in zijn proefschrift precies wanneer de bolletjes overgaan van de ene fase in de andere. Hij kan ook aangeven wanneer er een overgang optreedt van de Leidenfrost-fase naar convectie. Niet alleen moet de trillingsenergie dan verhoogd worden -harder schudden-, ook moet er een instabiliteit optreden die maakt dat bolletjes bij elkaar gaan zitten en dat anderen zich vrij maken.

Ook het Leidenfrost effect is bekend van vloeistoffen, als een druppel op een laagje damp zweeft. Het cluster van bolletjes zweeft op ‘granulair gas’. Het filmpje geeft de overgang van Leidenfrost naar convectie.

 

Stagnatie
Granulaire materialen zoals graan, suiker, zand en ook pillen, geven vaak onverwachte effecten bij het transport, de bewerking en de opslag. Dit veroorzaakt bijvoorbeeld stagnatie in industriële processen of een buitensporig hoog energieverbruik. Met fundamentele kennis over het gedrag van het materiaal hopen Eshuis en zijn collega’s meer inzicht te geven in dit soort effecten. Zijn onderzoek is een bevestiging dat veel fenomenen, zoals de vorming van clusters, te verklaren zijn met kennis uit de hydrodynamica.

Peter Eshuis (1980) studeerde Technische Natuurkunde aan de UT en heeft zijn promotie-onderzoek uitgevoerd in de groep Physics of Fluids, onderdeel van het instituut IMPACT van de Universiteit Twente. Het onderzoek is gefinancierd door de Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM). De promotoren zijn prof. Detlef Lohse en prof. Ko van der Weele.