Door te werken met simulaties kunnen de beperkte windtunneldagen dagen die luchtvaartonderzoekers ter beschikking staan veel slimmer worden ingezet. Het Applied Vehicle Technology Panel dat de prijs aan Boelens uitreikte, maakt deel uit van de NATO Research and Technology Organisation (RTO). De CFD-simulaties (Computational Fluid Dynamics) die Boelens en andere onderzoekers sinds kort gebruiken, tonen hoe de lucht zich rond de vleugel gedraagt.
Okko Boelens is R&D engineer, Applied Computational Fluid Dynamics Department of Flight Physics and Loads Aerospace Vehicles Division van het Nationaal Lucht- en Ruimtevaarlaboratorium (NLR). De werkgroepen waarin Boelens actief is, onderzoekt wervelstromingen (vortex flows, in het Engels) rondom de vleugels van gevechtsvliegtuigen en onbemande toestellen, de UCAV’s (Unmanned combat air vehicle). De startpunten van wervels zijn van cruciaal belang. Het startpunt van de wervel bepaalt de structuur van het wervelsysteem boven een vleugel. Beiden bepalen hoeveel draagkracht een vleugel krijgt. Ontwerpers willen zekerheid over de lift, de manoeuvreerbaarheid en stabiliteit.
Het filmpje laat de twee-dimensionale stroming rondom een vierkant zien. Achter het vierkant wordt een zogenaamde Karman Vortex street gevormd, waarin afwisselend wervels aan de boven en onderzijde van het vierkant worden gevormd. De kleuren geven geen fysische grootheid weer, maar geven alleen de baan aan dat een deeltje volgt dat aan de voorkant wordt losgelaten.
Onderzoek naar wervelingen
Wervels spelen een grote rol in de bouw van een jachtvliegtuig. Bij jachtvliegtuigen wordt de draagkracht (lift) voor het manoeuvreren primair verkregen door middel van de voorrandwervels. Bij de minder wendbare burgervliegtuigen komt de lift van de drukverschillen tussen de boven- en onderzijde van de vleugel. De werkgroepen bestuderen twee typen vliegtuigen met deltavleugels; de F-16 XL en de X-31 die sterk op de Eurofighter Typhoon lijkt.
Deltavleugels hebben aan de voorkant een hoek van ongeveer 45 graden op de luchtstroming. Door de vorm van de vleugel ontstaan wervels. In de snel draaiende wervel is de luchtsnelheid hoog en de druk laag, zoals de natuurkundige wet van Bernoulli voorschrijft. Deze draaiende bewegingen geven het vliegtuig draagkracht, ook wel lift genoemd. Deze wervelstromingen in een windtunnel bestuderen kost al gauw duizenden euro’s per dag. Simulaties met CFD-software zoals ontwikkeld op het NLR vergroten de onderzoeksmogelijkheden aanzienlijk. Vooral voor die bijdrage ontvangt Boelens zijn prijs. Okko Boelens: “We willen zien wat er rondom de vleugel gebeurt. Met CFD en aanvullende simulatiesoftware kunnen we al veel eigenschappen van de stroming vooraf op kantoor uitzoeken. Daardoor kunnen we in een dure windtunneldag veel gerichter metingen doen. We doen er nieuwe ontdekkingen mee. We wisten dat een scherpe voorrand bij een deltavleugel zorgt voor wervels met een helder startpunt. De vleugels aan de voorrand van onbemande UAV’s vertonen echter een afwijkend gedrag. De ronde voorranden op deze vleugels geven onduidelijke startpunten voor wervels."
“Met de simulaties kunnen we buiten de windtunnel al zien wat er gebeurt rond de vleugel en welke drukverdeling de vleugel heeft”, vervolgt Boelens. "Zo bestuderen we nu een deltavleugel met ronde voorkanten. Deze zomer en herfst bereiden we ons voor op experimenten. Rond de Kerst kunnen we dan gericht de windtunnel in.”
Zie ook:
- Vliegshow van gier is wervelend (Kennislinkartikel)
- Wikipedia-pagina over vliegtuigvleugels
- NLR biedt mogelijkheden om zelf met CFD-berekeningen aan de slag te gaan Luchtvaartinnovaties NL en EU
- Meer over de F-16XL
- Twee mooie CFD plaatjes met wervels uit CFD-simulaties
- Website over Vortex Flow Experiment 2 (ook uitgevoerd in kader van het onderzoek RTO AVT)
- Filmpje met wervels boven deltavleugels (vooral tussen 0:00-1:00 en 1:56-2:05)
- Filmpje met een aantal vortex-fenomenen bij deltavleugels
- Filmpje waarbij middels een ‘laser sheet’ de wervels gevisualiseerd zijn.
- Kort filmpje van CFD-berekening
- Mooie plaatjes van Karman Vortex streets (ook in de atmosfeer) via google