Hoe meet je met het reynoldsgetal of stroming turbulent of laminair is?

Antwoord

Beste Najim,

Leuk te horen dat je hierin geïnteresseerd bent. Dit is een tamelijk ingewikkelde vraag. Hieronder kan je een lange en een nog langere :) uitleg vinden.

Lange uitleg:

Eerst moeten we natuurlijk weten wat laminaire en turbulente stroming zijn. Laminaire stroming is stroming waarbij alle vloeistofdeeltjes (of gasdeeltjes) op een geordende manier naast elkaar bewegen. Je zou kunnen zeggen dat alle deeltjes in hun eigen 'rijvak' blijven. Bij turbulente stroming is dit niet zo. Deeltjes bewegen kriskras door elkaar. Van buitenaf kan het lijken alsof de stroming netjes van punt A naar punt B beweegt, maar als je zou inzoomen op één plaats op het traject, zou je zien dat deeltjes die daar passeren de ene keer snel bewegen, de ander keer traag. Ook de richting waarin ze bewegen verandert de hele tijd.

Terug naar het Reynoldsgetal. Eigenlijk gebruik je dit niet om te meten of een stroming laminair of turbulent is. Of dat het geval is kan je wel bepalen door metingen te doen. Wat je wel kan doen met het Reynoldsgetal, is zonder te meten berekenen of een stroming laminair of turbulent zal zijn. Of dat zo is, hangt af van: de snelheid van de stroming, de soort vloeistof of gas waaruit de stroming bestaat en de grootte van de bedding of buis waarin die stroming plaatsvindt. Het Reynoldsgetal bundelt al die informatie in één getal. Je kan dit getal zien als een soort score.
Als de score hoog is, zal de stroming turbulent zijn.

Nog langere uitleg:

Eigenlijk gebruik je het Reynoldsgetal dus niet om te meten of een stroming laminair of turbulent is. Om dat wel te meten, zou je een kleurstof kunnen toevoegen aan de stroming en kijken of die een vloeiend en smal pad blijft volgen dat meegaat met de rest van de stroming. Dan is de stroming laminair. Als de kleurstof eerder willekeurige richtingen begint uit te gaan en dus minder goed de algemene stroming volgt, is de stroming turbulent.

Op youtube kan je voorbeelden vinden van zo'n experiment, bv. zoals hieronder. Opmerking:  Ook andere manieren om dit te meten zijn mogelijk.

Het Reynoldsgetal kan je daarentegen gebruiken om te berekenen of de stroming laminair of turbulent zal zijn.

Het Reynoldsgetal, of afgekort Re, is gelijk aan u x ρ x L : µ.  (Opmerking:  ρ is het symbool van de Griekse letter rho en µ van de letter mu)
Hierin is:

- u de snelheid van de vloeistof (of gas)
- ρ de dichtheid van de vloeistof (of gas). Dit geeft weer wat de massa is van 1 liter van deze vloeistof. Voor water is dit ongeveer 1 kg per liter.
- L de karakteristieke lengte. Deze hangt af van waar de stroming zich bevindt. Is dat in een buis, dan is de afmeting die van belang is de binnendiameter van de buis. De karakteristieke lengte is dan dus de diameter van de buis (en niet de lengte of wanddikte of ...)
- µ de viscositeit. Dit drukt uit hoe stroperig de vloeistof is. De viscositeit van olijfolie is bijvoorbeeld 60 maal groter dan die van water.
  De viscositeit van honing is zelfs 2000 à 10000 maal groter dan die van water. De viscositeit van lucht is dan weer ongeveer 50 maal kleiner
dan die van water.

Een voorbeeld van een berekening van het Reynoldsgetal van een stroming in een buis met een diameter van 3 cm (=0,03 m), waarin water stroomt aan een gemiddelde snelheid van 0,72 km/h (=0,2 m/s) kan je hieronder zien. 

Als het Reynoldsgetal groot is zal de stroming turbulent zijn. Is de waarde laag, dan zal de stroming laminair zijn.

De reden dat het Reynoldsgetal dit kan voorspellen is de volgende:

Als de viscositeit (µ) groot is, heeft de vloeistof de neiging aan elkaar te 'kleven' en deeltjes die een andere kant zouden proberen opgaan en dus turbulent zouden proberen worden, krijgen die kans niet en worden door hun buren meegesleurd en gedwongen de rest van de vloeistof te volgen. Als alle deeltjes hierdoor mooi volgen is de stroming laminair. Dit zal dus vooral gebeuren wanneer de vloeistof viskeus is. En dit wordt inderdaad voorspeld door het Reynoldsgetal, want voor viskeuze stoffen is µ groot en zal Re dus klein zijn (want je deelt door een groot getal).

Als de snelheid (u) groot is, zullen vloeistofdeeltjes zo snel bewegen dat ze niet meer door viskeuze krachten door hun buren worden meegesleurd. Ze doen als het ware hun eigen zin. De stroming is dan turbulent. En ook dit voorspelt het Reynoldsgetal. Want als u groot is, zal Re ook groot zijn.

Net zoals voor u en µ, kan ook de aanwezigheid van ρ en L in de formule om Reynolds te berekenen, verklaard worden. Laat maar iets weten als je die uitleg ook wil krijgen.

Tot nu toe heb ik steeds gezegd dat Re hoog is in een turbulente stroming. Maar wat is hoog genoeg?

Voor stroming in een ronde buis met een gladde binnenwand is het zo dat de stroming turbulent zal zijn wanneer het Reynoldsgetal groter is dan 2300. Deze waarde van 2300 noemt men het kritische Reynoldsgetal. De stroming uit het voorbeeld, waar Re = 6000, zal dus turbulent zijn.
De overgang tussen laminair en turbulent is natuurlijk niet zeer plots. Vaak is er een overgangsregime, waarbij de stroming soms laminair is en dan weer turbulent. Pas bij een nog hogere waarde van Re, wordt de stroming volledig turbulent.
Wanneer de buis een ruwe wand heeft of wanneer er een obstakel in voorkomt, zal de stroming het moeilijker hebben om mooi geordend te bewegen. De stroming wordt dan al sneller turbulent. Het kritische Reynoldsgetal is dan lager dan 2300.

Opm: de vloeistof hoeft niet perse ergens in te stromen. Ze zou ook ergens kunnen overstromen, bv. een bol. Een bal die door de lucht vliegt is hier een voorbeeld van. In dat geval heeft het kritische Reynoldsgetal een andere waarde. Voor nog andere situaties, zijn er weer andere waardes voor het kritische Reynoldsgetal. (bv. stroming aan de buitenkant van een buis, stroming in een vierkante buis, ...)

Een goed filmpje waar dit allemaal nog eens wordt uitgelegd is:

(Je kan ondertitels aanzetten en deze te laten vertalen naar het Nederlands, kies hiervoor: Translate to Dutch)

Het filmpje wordt steeds ingewikkelder, maar het begin geeft zeker een goede uitleg over turbulentie.

Veel plezier,