De ene vloeistof stroomt makkelijker dan de andere omdat vloeistoffen van elkaar verschillen in viscositeit: de interne weerstand die een vloeistof biedt tegen stroming. Hoe hoger de viscositeit, hoe moeilijker de vloeistof beweegt. Die viscositeit hangt af van de moleculaire opbouw van de vloeistof, de temperatuur en soms zelfs van de kracht die erop wordt uitgeoefend. In dit artikel beantwoorden we de meest gestelde vragen over vloeistofstroming, van basisprincipes tot geavanceerde stromingsanalyse.
Hoe makkelijk een vloeistof stroomt, wordt bepaald door de viscositeit. Viscositeit is de mate van interne wrijving tussen de moleculen van een vloeistof. Vloeistoffen met sterke moleculaire bindingen of grote, complexe moleculen hebben een hogere viscositeit en stromen daardoor moeilijker. Vloeistoffen met zwakke bindingen en kleine moleculen, zoals water, stromen gemakkelijk.
Naast de moleculaire opbouw spelen ook de volgende factoren een rol:
Viscositeit wordt uitgedrukt in Pascal-seconden (Pa·s) of in de praktijk vaak in millipascal-seconden (mPa·s), ook wel centipoise (cP) genoemd. Water heeft bij kamertemperatuur een viscositeit van ongeveer 1 mPa·s; honing zit al snel op 2.000 tot 10.000 mPa·s.
Bij de meeste vloeistoffen geldt: hoe hoger de temperatuur, hoe lager de viscositeit. Warmte geeft moleculen meer energie, waardoor ze sneller bewegen en de onderlinge aantrekkingskrachten minder invloed hebben. Het gevolg is dat de vloeistof dunner en beweeglijker wordt. Dit effect is goed zichtbaar bij olie: koude motorolie is stroperig, warme motorolie stroomt snel.
Dit principe is in de industrie alledaags. In de voedingsindustrie wordt chocolade verwarmd om het gietbaar te maken. In de farmaceutische industrie bepaalt de temperatuur of een vloeistof goed doseerbaar is. In chemische processen stuurt temperatuurregeling direct de stroomsnelheid en menging van stoffen.
Bij gassen werkt het andersom: hogere temperaturen verhogen daar juist de viscositeit, omdat moleculen vaker met elkaar botsen. Voor industriële toepassingen met vloeistoffen is het effect van temperatuur op viscositeit een van de belangrijkste parameters om te beheersen.
Het verschil zit in hoe de viscositeit reageert op schuifspanning. Newtonse vloeistoffen hebben een constante viscositeit, ongeacht hoe hard of snel je ze beweegt. Niet-Newtonse vloeistoffen veranderen van viscositeit zodra er een kracht op wordt uitgeoefend. Dit onderscheid is belangrijk voor het ontwerpen van pompen, leidingen en menginstallaties.
Water, olie en ethanol zijn typische Newtonse vloeistoffen. Ze stromen altijd even makkelijk, ongeacht de snelheid of de kracht die erop wordt toegepast. Voor ingenieurs zijn dit de eenvoudigste vloeistoffen om mee te werken, omdat hun gedrag goed voorspelbaar is.
Niet-Newtonse vloeistoffen gedragen zich complexer. Er zijn verschillende typen:
In de voedingsindustrie, farmaceutische industrie en chemische industrie komen niet-Newtonse vloeistoffen regelmatig voor. Het correct modelleren van hun gedrag vraagt om gespecialiseerde meetmethoden en soms geavanceerde simulaties.
Honing stroomt langzamer dan water omdat de viscositeit van honing vele malen hoger is. Dit komt door de chemische samenstelling: honing bestaat grotendeels uit suikers zoals fructose en glucose, aangevuld met water en kleine hoeveelheden andere stoffen. De grote, complexe suikermoleculen en de onderlinge bindingen tussen die moleculen zorgen voor een hoge interne wrijving.
Water bestaat uit kleine, eenvoudige moleculen (H2O) met relatief zwakke onderlinge bindingen. Die moleculen bewegen gemakkelijk langs elkaar heen, wat resulteert in een lage viscositeit. Bij honing moeten de grotere moleculen langs elkaar schuiven met veel meer weerstand, waardoor de stroming aanzienlijk trager verloopt.
Verlaag je de temperatuur van honing, dan wordt het nog stroperiger. Verwarm je honing licht, dan neemt de viscositeit snel af en stroomt het merkbaar gemakkelijker. Dit is een praktisch voorbeeld van hoe moleculaire opbouw en temperatuur samen de stroomeigenschappen van een vloeistof bepalen.
Ingenieurs meten viscositeit met een viscometer of een reometer. Een viscometer meet de weerstand die een vloeistof biedt bij een vaste snelheid of belasting. Een reometer gaat verder en kan het gedrag van een vloeistof meten over een breed bereik van schuifsnelheden en temperaturen, wat nuttig is voor niet-Newtonse vloeistoffen.
De meest gebruikte meetmethoden zijn:
De keuze voor een meetmethode hangt af van het type vloeistof, het gewenste meetbereik en de procesomstandigheden. In de werktuigbouwkundige engineering worden viscositeitsmetingen ingezet bij het ontwerpen van pompsystemen, warmtewisselaars en menginstallaties, waarbij nauwkeurige invoerdata direct de betrouwbaarheid van berekeningen bepalen.
Computational Fluid Dynamics (CFD), ook wel stromingsanalyse genoemd, is nuttig zodra een stromingsvraagstuk te complex is om analytisch of met eenvoudige handberekeningen op te lossen. CFD-analyse simuleert het gedrag van vloeistoffen in een virtueel model, inclusief turbulentie, drukopbouw, warmteoverdracht en de invloed van geometrie op de stroming.
Typische situaties waarin een CFD-analyse meerwaarde biedt:
Een CFD-analyse vervangt niet altijd een fysieke test, maar helpt je om ontwerpkeuzes te onderbouwen, risico’s vroeg te signaleren en iteratietijd te verkorten. In sectoren zoals de farmaceutische industrie, de voedingsindustrie en de procesindustrie is stromingsanalyse een standaard onderdeel van het ontwerpproces voor installaties waarbij vloeistofgedrag bepalend is voor productkwaliteit of veiligheid.
Stromingsvraagstukken vragen om een combinatie van theoretische kennis, meetervaring en de juiste simulatietools. Binnen onze Development & Engineering dienstverlening werken ervaren werktuigbouwkundig ingenieurs en specialisten aan precies dit soort vraagstukken, van viscositeitsanalyse tot volledige Computational Fluid Dynamics (CFD) simulaties.
Wat wij voor je kunnen doen:
We werken voor bedrijven in de farmaceutische industrie, voedingsindustrie, machinebouw, procesindustrie en andere sectoren binnen de Nederlandse maakindustrie. Of je nu een specifieke berekening nodig hebt of een volledig project wilt uitbesteden: we denken mee vanuit de inhoud en leveren concrete resultaten. Neem contact met ons op voor een gesprek over jouw stromingsvraagstuk.
Over AKOS
AKOS is een advies- en ingenieursbureau gericht op het ontwikkelen van de industrie door het leveren van expertise en oplossingen op het gebied van mens, productie en technologie.
Menu
Terugbelverzoek
