De grote uitdagingen waarvoor de technische wetenschappen staan op het gebied van het tot staan brengen van de negatieve impact van onze (oude) technologische ontwikkelingen op het leefmilieu op aarde, noodzaakt mijns inziens een intensieve samenwerking tussen de meer fundamentele en meer toegepaste disciplines in ons zeer gefragmenteerde technisch-we- tenschappelijke landschap: 'bridging disciplines'. Ik zal een illustratief voor- beeld geven van hoe gescheiden de 'werelden' kunnen zijn.
Figuur 18: Vorm van een bel in een slanke buis bewegend van links naar rechts berekend door Bretherton [44] en de vorm van de smeerfilm in een Elastohydrodynamisch gesmeerd contact tussen stalen oppervlakken berekend
door Dowson en Higginson [25] voor verschillende condities.
In figuur 18 ziet u links de vorm van een langgerekte bel in een nauwe buis. De bel stroomt van links naar rechts. De dunne film vloeistof tussen de bel en de wand is nagenoeg constant van hoogte, en heeft, vlak voor het einde van de bel, een 'reductie'. Dit probleem is bestudeerd door Bretherton rond 1961 [44] en is een van de meest bekende problemen in de stromingsleer in het vakgebied van de natuurkunde. Het probleem is een singuliere per- turbatie, en wordt gekenmerkt door een 'buitengebied' en een 'binnenge- bied' met daartussen een 'boundary layer'. Gebruik makend van de 'dunne film benadering' aangeduid met de 'lubrication assumption' (veelal verwij- zend naar Landau-Levich [45]), en na substitutie van de locale relatie tussen de druk en de oppervlaktespanning ontstaat er een derde orde differentiaal-
vergelijking voor de 'filmdikte' als functie van de plaats langs de wand. In de boundary layer bestaat een gelijkvormigheidsoplossing. Sindsdien zijn er vele studies verschenen op het gebied van dunne vloeistoflagen met gebruik van de 'lubrication assumption' met zeer interessante resultaten [46, 47].
In figuur 18 ziet u rechts de vorm van de smeerfilm in een elasto-hydro- dynamisch gesmeerd contact, zoals zich dat voordoet tussen kogel en de binnen of buitenring in een kogellager of tussen tandwielen. De oplossing is verkregen door het simultaan numeriek oplossen van de Reynoldsver- gelijking die de druk relateert aan de smeerfilmdikte, en de integraalver- gelijking (Boussineq assumption [48]) die de elastische deformatie van de oppervlakken beschrijft. Dit zijn de klassieke reeds genoemde resultaten van Dowson en Higginson [25] uit 1960 zeer bekend in de wereld van de engineering. In de erop volgende decennia is dit onderwerp uitgegroeid tot een heel eigen specialisme in de tribologie met veel interessante resultaten gepubliceerd in wetenschappelijke tijdschriften in dit gebied. Zo waren er al vroeg asymptotische oplossingen bekend voor het geval van zachte op- pervlakken (afdichtingen) [49]. Een van de bijzonderste ontdekkingen wat betreft dit probleem is dat het gedrag in het centrum van het contact, de nominale filmdikte, maar ook de deformatie van ruwheid wanneer die door het contact beweegt volledig bepaald wordt door empirisch gevonden dimensieloze parameter die de ratio tussen golflengte en 'inlaatlengte' is [28]. Dit gedrag is inmiddels experimenteel gevalideerd [29] en heeft het een zeer bruikbaar 'gereedschap' opgeleverd voor ontwerp. De precieze betekenis van de 'inlaatlengte' bleef echter onduidelijk.
Het werk van Bretherton is gedaan in Cambridge, en het werk van Dowson en Higginson in Leeds. De overeenkomst tussen de vorm van de film tus- sen de bel en de wand, en de film het gesmeerde contact lijkt meer dan toevallig. Dowson kende het werk van Bretherton niet (prive communica- tie). Opvallend is dat Bretherton in zijn paper wel verwijst naar een paper waarvan (inderdaad) dezelfde Dowson co-auteur is, over de beweging van een vallende kogel in een buis gevuld met vloeistof. In vervolg op beide papers zijn vele onderzoeken gedaan, en beide papers (heren) zijn iconen geworden. Deze ontwikkelingen hebben zich geheel parallel aan elkaar voltrokken. Pas meer dan 50 jaar later wordt de overeenkomst min of meer toevallig 'ontdekt' en opgelost door een werktuigbouwer en een natuurkun- dige uit Twente en een engelse wiskundig [48]. De problemen zijn inder-
daad 'equivalent' zij het dat de relatie tussen druk (p) en kromming van de film (h’’) in het geval van een elastisch materiaal 'iets minder' lokaal is dan in het geval van een vloeistofoppervlak [50]. Daarmee is nu wel de echte identiteit van de empirische 'inlaatlengte' onthuld. Het is de lengteschaal van de grenslaag. Deze ontdekking heeft nieuw onderzoek en analyse geïnitialiseerd [51], en voor beide werelden geleid tot nieuwe inzichten. Het meest verbazingwekkende aan dit voorbeeld is dat er in beide werelden zeer veel papers geschreven zijn gedurende een lange periode met nauwe- lijks kruisverwijzingen, terwijl er een fantastische complementariteit is.
6. ONDERWIJS
Optimale kennisoverdracht vereist een geïnspireerde docent die met en- thousiasme spreekt over zijn vak (speak from your heart), en een leergierige student die gemotiveerd is door zijn eigen nieuwsgierigheid, en die aan laat wakkeren door de kennis en kunde van de docent. Als iets moeilijk lijkt, zoals dimensieloze kentallen, is dat een extra uitdaging om het te leren. Student en docent zouden uit eigen inspiratie de lat hoog moeten leggen. Essentieel is een goede wisselwerking tussen student en docent waarin beiden hun eigen rol en eigen verantwoordelijkheid nemen. Voor wat be- treft de factoren waarop zij zelf invloed hebben staan er in het werk van de eerder genoemde György Pólya 'how to solve it' [22] leerzame adviezen. In navolging van de ook al eerder genoemde prof. Achi Brandt is mijn motto is altijd geweest: „Answering a question before it has bothered the student that is what bad teaching is all about”. Probeer studenten nieuwsgierig te maken maar leg ze niet in de watten.
Het onderwijssysteem en de organisatie er omheen zijn er om de docent en de student daarin goed te ondersteunen. Daar lijkt ruimte voor verbetering. Vooral in de technische wetenschappen zouden de 'systeemvertegenwoor- digers' die zelf geen of weinig inhoudelijk kennis hebben van het vakgebied beter mogen luisteren naar de wetenschappers en vakdocenten: Wij weten welke vaardigheden studenten echt nodig hebben om op een hoog niveau te komen in deze vakken, en geven daar vaak al jaren les in. De vorm kan misschien anders, wat ze moeten kunnen niet.
Tot de studenten zou ik willen zeggen: Jullie zijn de toekomst van de weten- schap en de techniek. Vertrouw er op dat je docenten jou willen leren wat zij denken dat jij nodig gaat hebben in de praktijk, en dat zij niet voor niets de positie hebben bereikt die zij innemen in hun vakgebied. Geniet van je studententijd, maar vooral ook van het studeren en leren begrijpen. Van de kant van onze vakgroep zullen wij er alles aan doen om onze fascinatie voor en deskundigheid op het vakgebied tot uitdrukking te laten komen in de vakken en projecten van de opleidingen werktuigbouwkunde, sustainable energy technology, en biomedische techniek. Onze samenwerkingen met bedrijven en instituten, bieden mogelijkheden voor stages in binnen- en buitenland, en afstudeeropdrachten, zowel experimenteel als theoretisch.
Wij bieden alle gelegenheid om een goed ingenieur te worden met een goede fundamentele kennis op het gebied van de stromingsleer, en een originele, oplossingsgerichte, praktische instelling.
Ik wil benadrukken dat het in de technische wetenschappen van groot be- lang is dat je een aantal vaardigheden op een goed niveau beheerst: reke- nen, rekenen met symbolen en pas later getallen invullen en kunnen diffe- rentiëren en integreren is heel belangrijk. In de 'zachtere studies' kunnen docent en student misschien van mening verschillen en kan een antwoord 'een beetje' goed zijn. In de 'technische studies' is dat anders en zijn ant- woorden gewoon 'goed' of 'fout', zo moeten dimensies altijd kloppen, daar valt niet over te discussiëren. In de praktijk leiden fouten tot ongelukken, dus moet je heel kritisch zijn. Wat je (nog) niet kunt, moet je gewoon 'even' leren en dat kan alleen maar door dat te doen: oefenen. In deze zou ik een van mijn zeer gewaardeerde voorgangers, professor Leen van Wijngaarden willen citeren: „Alleen door serieuze studie en dapper volhouden kan men de stof tot zijn geestelijk eigendom maken. Daarin verandert niets.” [52]. Om het in stromingsleer termen te houden 'de kennis en vaardigheden komen je niet aanwaaien'.
Tot slot: Een universiteit is een hele bijzondere plek om te zijn. Het is een privilege om daar te mogen leren met en van mensen die op hoog niveau werken en publiceren, en die gefascineerd zijn door de natuur en tech- niek in al hun verschijningen. Dit geldt in het bijzonder voor de Universiteit Twente die, ondanks alle veranderingen die ik gezien heb in de afgelopen 25 jaar, nog steeds een 'klein dorp' is waarin mensen elkaar kennen, waar de deur van docenten voor je open staat, en waar gemeten wordt met een menselijke maat.
7. CONCLUSIE
De groep Engineering Fluid Dynamics is 'op vele schalen thuis' zowel theoretisch als experimenteel, met een praktische instelling, en beoogt de rol van wetenschapper, ingenieur, en pionier te vervullen. Haar missie is om fundamentele fysische kennis op het gebied van de stroming van vloei- stoffen en gassen te brengen tot betere toepassingsgerichte oplossingen voor het ontwerp van efficiënte (alternatieve) machines en processen voor energieopwekking, overdracht, en transport, met een minimale impact op de omgeving en minder gebruik van schaarse grondstoffen: zuiniger, stiller, en schoner. Dit vergt hernieuwd en dieper inzicht in de verschillende scha- len waarop stromingsverschijnselen zich voordoen in toepassingen en de interactie tussen die schalen. De middelen om de schalen te overbruggen zijn de combinatie van zorgvuldige originele analyse, goed fysisch inzicht, optimaal efficiënte en nauwkeurige numerieke methoden, en zorgvuldig gekozen experimenten.
Daarnaast streven wij ernaar om meer geavanceerde kennis op het gebied van de technische stromingsleer over te brengen naar (bio)medische en klinische toepassingen. Voor industriële en institutionele partners wil de groep een vraagbaak zijn, en een onderzoekspartner in MSc, PhD, of Post- doc onderzoeksprojecten in nationaal of internationaal verband. Met onze experimentele faciliteiten beogen we een 'laagdrempelige faciliteit' te zijn om nieuwe onderzoeksideeën te testen en tot groei te brengen. Voor onze studenten willen wij een inspirerende groep zijn die op hoog niveau onder- zoek doet en publiceert in de toegepaste wetenschappelijke literatuur, en die inspireert tot enthousiasme en kwaliteit. Wij streven ernaar om hoog- staand onderwijs te geven en ingenieurs op te leiden die op creatieve wijze fundamentele kennis kunnen verbinden met praktische toepassingen en daarmee bij kunnen dragen aan nieuwe oplossingen voor de uitdagingen waar zij in de toekomstige industriële en (bio)medische praktijk voor gesteld worden.
8. DANKWOORD
Ik wil mijn dank uitspreken aan de decaan van de faculteit CTW, en aan de benoemingsadviescommissie voor het in mij gestelde vertrouwen. Ook mijn kennis en ervaring is mij niet 'aan komen waaien' maar ik heb zeker stukjes 'wind mee' gehad van mensen die met hun persoonlijkheid, hun kennis, en hun wijze lessen, mij geïnspireerd hebben en mede gevormd. Zonder iemand tekort te willen doen probeer ik een kleine opsomming te maken. Allereerst mijn 'leermeesters': Ton Lubrecht en Achi Brandt. Ton, sinds onze eerste paper in 1987 hebben we veel leuke projecten gedaan en publica- ties geschreven. Onze 'leraar-leerling' relatie is veranderd in een dierbare vriendschap. Achi: You always challenged me to aim for a 'higher' level and made me stretch my braincells a little bit more. I am deeply grateful for our many years of collaboration at the Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel. Aan de basis van mijn wetenschappelijke 'carrière' stonden ook mijn promovendi-collegae: Piet Lugt en Bas ten Hoeve. Ik denk met plezier terug aan de vele problemen waarmee we multigrid oefenden en de weekenden die we met Rex in het lab doorbrachten.
Ik wil graag alle studenten, promovendi, postdocs, en collega’s bedanken met wie ik in academia heb gewerkt aan deze universiteit, op het Weizmann Institute of Science, op Imperial College, en op INSA de Lyon. Dit geldt zowel de wetenschappelijke collega’s als voor de collega’s in de ondersteunende diensten van de financiën, tot de 'visiting scientists department', en de bedrijfshulpverlening. In het bijzonder wil ik mijn huidige en voormalige collega’s van de vakgroep Technische Stromingsleer bedanken. Harry Hoeijmakers, Mico Hirschberg, Wim Gorissen, Rob Hagmeijer, Niels Kruyt, Edwin van der Weide, Arne van Garrel, Wouter den Breeijen, Herman Stobbe, Steven Wanrooij, Anjenet Mettivier-Meijer, Inge Hurenkamp, Inge Dos Santos, Brenda Benders, alle afstudeerders, en promovendi. Ik ben ontzettend trots op onze groep. Jullie zijn een bijzonder veelzijdig en complementair team. Harry, jouw enorme inzet voor onze stu- denten en voor de groep zijn een voorbeeld voor me. Aan de andere kant 'van de brug' wil ik graag de collega’s van de vakgroep Physics of Fluids bedanken voor de leuke samenwerking. Ik hoop dat we samen nog veel mooie 'Twentse stromingsleer' naar praktische toepassing zullen brengen.
In het bijzonder wil ik Jacco Snoeijer bedanken voor onze vrolijke en enthousiaste discussies, en Leen van Wijngaarden en Detlef Lohse voor hun bereidheid altijd advies te geven en mee te denken.
Werktuigbouwers zijn doelgericht. Ze moeten weten waar iets goed voor is. Ik ben alle collega’s van de bedrijven met wie ik heb gewerkt zeer dankbaar voor hun inspirerende uitdagingen en de projecten die we samen gedaan hebben. De grootste beloningen zijn voor mij altijd geweest de momenten waarop 'iets werkte'. Ik ben zeer blij met de grote groep bedrijven met wie onze vakgroep op dit moment samenwerkt, zoals het 'consortium' 'Turbo- valley', en alle bedrijven die steun geven aan onze stagiaires en afstudeer- ders. I especially would like thank my friends and collegues at the SKF Engineering & Research Centre, Nieuwegein. Our long time extensive colla- boration is a realization of 'crossing scales and bridging disciplines' bringing fundamental results, correct asymptotics, and fast numerics to engineering rules and practical applications.
Een bijzonder woord voor mijn karatevrienden. Dank voor de vele uren intensieve training, de 'push by example,' en de vele bijzondere inzichten die de studie van de martial arts heeft gebracht.
Op deze plek wil ik graag veel dank uitspreken aan mijn familie voor alle steun en stimulans gegeven in vele vormen gedurende schooltijd en oplei- dingen. In het bijzonder wil ik bedanken mijn zus Hanny, en mijn tweeling- zus Ingrid. Onze ouders kunnen trots op ons zijn. Jullie zijn altijd dichtbij. Julius, bedankt voor de trouwe wandeluren op de vele mooie plekjes van Twente, en in de rest van Nederland. De natuur is een prachtige bron van inspiratie.
Tot slot, mijn partner Natasja, 'my queen' en onze kinderen Tristan, Cheyenne, Zenji, en Shinobu, dank jullie wel voor ons 'never a dull moment' leven vol met uitdagingen en prachtige momenten. The only way is up!
9. BIBLIOGRAPHY
[1] H. Bonke et al., Cornelis Corneliszoon van Uitgeest: uitvinder aan de basis van de gouden eeuw, Walburg pers, Zutphen, ISBN 90-5730- 189-X 2002.
[2] Carnegie, A., James Watt, Europaeischer Hochschulverlag GmbH & Co KG, Bremen, Germany, ISBN 978-3-86741-442-5, 2010 (reproduction of originally published book in 1905).
[3] Jackson, J.D., Osborne Reynolds: Scientist, engineer and pioneer, Phil. Proc. R. Soc. Lond. A. V. 451, pp. 49-86.
[4] Reynolds, O., 1883, An experimental investigation of the
circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and the law of resistance in parallel channels. Phil. Trans. R.Soc., V. 174, pp. 935-982.
[5] Eckhardt, B., Phil. Trans.R.Soc. A (2009) V. 367, pp. 449-455. (2009). Introduction. Turbulence transition in pipe flow: 125th anniversary of the publication of Reynolds’ paper
[6] Reynolds, O., 1886, On the theory of lubrication and its application to Mr. Beauchamp Tower’s experiments including an experimental determination of the viscosity of olive oil. Phil. Trans. R.Soc., V. 177, pp. 157-234.
[7] Cameron, A., (1980) 'THE BEAUCHAMP TOWER STORY', Industrial Lubrication and Tribology, Vol. 32 Iss: 1, pp.4 - 10 [8] Cameron A., 1986, 'Osborne Reynolds', Fluid Film Lubrication -
Osborne Reynolds Centenary, Ed. Berthe D., Godet, M., Dowson, D., Taylor, C.M., Elsevier Tribology Series, V. 11, pp. 3-8.
[9] Dowson, D., 1998, History of Tribology, Wiley New York, USA, 1998 ISBN: 978-1-86058-070-3
[10] Hernandez-Sanchez, J.F., Lubbers, L.A., Eddi, A., en Snoeijer, J.H., 2012, Symmetric and asymmetric coalescence of drops on a substrate, Physcial Review Letters, V. 109, 184502.
[11] Hanyak, M., Sinz, D.K.N., Darhuber, A.A., 2012, Soluble surfactant spreading on spatially confined thin liquid films, Soft Matter, V. 8, pp. 7660-7671.
[12] Blasius, H. 'Grenzschichten in Flüssigkeiten mit kleiner Reibung' . Z. Math. Phys. 56: 1–37. (1908)
[13] Kármán, Th. von (1921). 'Über laminare und turbulente Reibung' [About laminar and turbulent friction]. Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik (in German) 1 (4): 233–252. doi:10.1002/ zamm.19210010401. ISSN 1521-4001.
[14] Richardson, L.F., 1922, Weather prediction by numerical process, Cambridge University Press, UK.
[15] Pope, S.B., 2000, Turbulent Flows, Cambridge university press, Cambridge, UK, ISBN 978-0-521-599886-6.
[16] van Gils, P.M., Huisman, S.G., Grossmann, Sun, en C., Lohse, D., 2012, Optimal Taylor-Couette turbulence, J. Fluid Mech. V. 706, pp. 118-149.
[17] Reynolds, O., 1895, On the dynamical theory of incompressible vis- cous fluids and the determination of the criterion. Phil. Trans. R. Soc. A, V. 186, pp. 123-164
[18] Reynolds, O., 1885, On the dilatancy of media composed of rigid particles in contact. With experimental illustrations. Philosophical Magazine, Series 5, V. 20, pp. 469-481.
[19] Weinhart, T., Hartkamp, R., Thornton, A.R., en Luding, S. 2013 Coarse-grained local and objective continuum description of 3D granular flows down an inclined surface, Phys. Fluids 25, 070605.
[20] Singh, A., Saitoh, K. Magnanimo, V., en Luding, S., 2015, Role of gravity or confining pressure and contact stiffness in granular rheology, New J. Phys. 17, 043028, 2015.
[21] Kruyt, N.P. & Millet, O. & Nicot, F. 2014, Macroscopic strains in granular materials accounting for grain rotations, Granular Matter 16 933–944.
[22] Polya, G., 2004, How to solve it, Princeton university
[23] Kruyt, N.P. & Westra, R.W. (2014). On the inverse problem of blade design for centrifugal pumps and fans. Inverse Problems 30 065003. [24] Kruyt, N.P. & Pennings, P.C. & Faasen, R. (2014). Optimization of
efficiency of axial fans. Proceedings 12th European Fluid Machinery Congress, pp. 13–20,Woodhead Publishing, Cambridge, UK. [25] Dowson, D., Higginson, G.R.: The effect of material properties on
the lubrication of elastic rollers. J. Mech. Eng. Sci. 1(1), 6–15 (1960) [26] Brandt, A., 1977, Multi-level adaptive solutions to boundary value
problems, AMS Math. of Computation, V. 31, 333-390. [27] Venner, C.H., Lubrecht, A.A., 2000, Multilevel Methods in
Lubrication, Elsevier, Amsterdam, Tribology series, V. 37, ISBN: 978-0-444-50503-3.
[28] Hooke , C.J., C. H. Venner, 2000, Surface roughness attenuation in line and point contacts, J. Eng. Tribol. 214, 439.
[29] Sperka, Krupka, Hartl 'Experimental study of real roughness attenuation in rolling/sliding concentrated contacts.' Tribology international, V. 46 (2012) pp. 14-21.
[30] Boffy, H., Venner, C.H., 2014, Multigrid solution of the 3D stress-field in strongly heterogeneous materials, tribology international, V. 74, pp. 121-129.
[31] Sidin, R.S.R., 2009, Droplet size distribution in condensing flows, PhD thesis, universiteit Twente, 2009.
[32] Lighthill, J., 1978, Waves in Fluids, Cambridge University Press, Cambridge, GB.
[33] Wilkinson, J.H., Fox, 1987, Comput. J. 30 (1987), no. 1, 1. 01A70 [34] Fox, L., 1944, Solution by relaxation methods of plane potential
problems with mixed boundary conditions. Quart. Appl. Math. 2, [35] Fox, 1947, L. Some improvements in the use of relaxation methods
for the solution of ordinary and partial differential equations. Proc. Roy. Soc. London. Ser. A. 190, (1947). 31–59.
[36] Clenshaw, C., 1992, 'obituary: professor Leslie Fox', The independent.
[37] Norde, E., Hospers, J.M., van der Weide, E.T.A., Hoeijmakers, H.W.M., 2014, Splashing Model for Impact of Supercooled Large Droplets on a Thin Liquid Film, AIAA SciTech 2014, 52nd Aerospace Sciences Meeting, 13-17 January 2014, National Harbor, Maryland; 01/2014 [38] Giangaspero, G., Almquist, M., Mattsson, K., van der Weide. E.,
2015, Unsteady simulations of rotor stator interactions using SBP-SAT schemes: status and challenges For the book series ‘Lecture Notes in Computational Science and Engineering’, Springer. – under revision. [39] Jongsma, S.H., 2014, On a Method for Simulation-Based Wind
Turbine Design. PhD. Thesis, University of Twente
[40] Khatami, F., van der Weide, E.T.A., and Hoeijmakers, H.W.M., 2014, Numerical issues in higher-order accurate simulations of flows with vortex cavitation, 11th world congress on computational mechanics. [41] van Putten, D.S. van, Hagmeijer, R., Glazenborg, S., Venner, C.H.,
2011, A Multi-Grid Method for N-Component Nucleation J. Chem. Phys., 135, 014114.
[42] Gregersen, M.M., Othmer, C., 2014, Automatic aerodynamic shape optimization based on the adjoint method, proceedings VDI Wissensforum: SIMVEC 2014 , nov. 18-19 2014, Baden-Baden, pp.703-714.
[43] Mulder, J., 2013, Towards the understanding of flapping wing