Je leest:

TU/e opent turbulente windtunnel

TU/e opent turbulente windtunnel

Auteur: | 14 december 2017
TU Eindhoven/Bart van Overbeeke met toestemming

De Technische Universiteit Eindhoven opent deze week een nieuwe windtunnel. Van de nieuwste torenflat in het centrum van Eindhoven tot het ‘treintje’ van de LottoNL-Jumbo-wielerploeg, alles wordt hier op de tocht gezet. NEMO Kennislink neemt de stormparaplu mee en neemt een kijkje.

Ik zit op mijn knieën en steek mijn hoofd in een groot donker gat. Een beetje gedesoriënteerd kijk ik om me heen. Rechts is niets te zien, pikkedonker, links de contouren van vier ventilatoren waardoor een vaag schijnsel valt. Als ik mijn hoofd uit de stalen behuizing trek, kijk ik weer naar de buitenkant van de Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel. Het is de nieuwste windtunnel van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e).

Img 20171206 144609219
De Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel is 46 meter lang. Het deel waarin geëxperimenteerd wordt (achter glas) meet 27 meter, is drie meter breed en twee meter hoog. Gezien vanaf hier beweegt de lucht van rechts naar links en gaat hij aan de achterkant van het apparaat weer naar rechts. Het apparaat kostte een kleine 600.000 euro.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Bert Blocken staat naast me. Hij is professor bouwfysica van de TU/e en laat me vandaag het nieuwste laboratorium op de campus van de universiteit zien. De ventilatoren die ik net zag, gaan straks tegen zijn proefopstellingen aanblazen. “We hebben hier 220.000 watt blaasvermogen, dat is best veel. Deze ventilatoren zitten ook in grote klimaatbeheersingssystemen”, zegt hij. Toch gaat het hier niet om hárd blazen: de topsnelheid is zo’n 120 km/h, net orkaankracht. Deze windtunnel blinkt vooral uit in het nabootsen van een ietwat onrustige luchtstroming. Precies wat er gebeurt in de onderste lagen van de aardatmosfeer, waar gebouwen, bergen en bomen de nette stroming doorbreken.

In een storm heb je rukwinden, maar ook op een rustige dag komt de wind in vlagen. De lucht zit vol chaos en turbulentie, waardoor de wind soms even stilvalt en daarna snel aantrekt. Wil je weten hoe de lucht om een nieuwe torenflat gaat stromen, dan moet je rekening houden met het ruige karakter van de atmosfeer. Dat gebeurt in deze windtunnel – op schaal natuurlijk. Maar door het forse formaat is de tunnel ook geschikt voor het meten van de luchtstromen rondom wielrenners, schaatsers of nieuwe wagens op zonne-energie.

Speelgoed

Img 20171206 144243939
Verschillende modellen voor in de windtunnel van de Technische Universiteit Eindhoven.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Iets verderop staat een tafel met een bonte verzameling speelgoed. Ik zie een model van een jacht, een vrachtwagen en een wielrenner. Ook is er een maquette van het centrum van Eindhoven. Blocken verzekert me dat hier niet wordt gespeeld. De meeste modellen zijn door een speciaal bedrijf gemaakt dat ervoor zorgt dat allerlei details kloppen. Op het dek van de jacht zie ik kleine zithoekjes met kleine tafeltjes en een zonneschermpje.

“In onze windtunnel kun je twee verschillende soorten onderzoek onderscheiden”, zegt Blocken. “We kijken hoe stoffen zich verspreiden in een omgeving en we onderzoeken de krachten die een stroming uitoefent op de omgeving.” Verspreidingsmodellen zijn van belang als het gaat om bijvoorbeeld uitlaatgassen die in een stad blijven hangen. “En met dit modeljacht kun je uitzoeken of de toekomstige eigenaar in dat zithoekje niet in zijn eigen uitlaatgassen zit”, zegt Blocken.

Onderzoek aan krachten van stromingen is relevant bij (hoge) gebouwen en bij sporters (zie kader Treintje in de tunnel). Bij hoge gebouwen draait het niet alleen om de krachten op de gebouwen, maar ook op de directe omgeving. Een bekend fenomeen rondom hoogbouw is de harde wind. “Een groot deel van de wind tegen een groot gebouw wordt naar beneden afgebogen en komt op straatniveau uit”, zegt Blocken. “Je wil niet dat het de mensen daar van hun fiets blaast. Als het gebouw al is gebouwd, ben je te laat, daarom doen ontwikkelaars nu vaak eerst een windstudie.”

Bvof 2017 1128 jq   windtunnel tu eindhoven
Model van het in werkelijkheid 240 meter hoge Bahrain World Trade Center in de windtunnel van de Technische Universiteit Eindhoven. Uit onderzoek bleek dat de geïnstalleerde windturbines bij een andere oriëntatie van de torens op jaarbasis veertien procent meer energie zouden opwekken.
TU Eindhoven/Bart van Overbeeke met toestemming

Juist bij het testen van gebouwen is die realistische ‘ruige’ stroming belangrijk. Om die te maken en te controleren wordt de turbulentie in stroming (inclusief draaiing van de ventilatoren) eerst helemaal verwijderd. De luchtstroming gaat door een groot honingraatrooster en door enkele fijnmazige gazen, zodat er een perfect gladde stroming ontstaat. Die gaat er meteen weer aan in de windtunnel, waar over een afstand van twaalf meter (controleerbare) turbulentie wordt gemaakt door de plaatsing van obstakels zoals kubussen.

Wind meten

Momenteel wordt er geklust in en rond het gebouw van de windtunnel. Buiten leggen bouwvakkers de laatste hand aan het splinternieuwe onderkomen, binnen treffen technici de voorbereidingen voor een test en fotoshoot met een handbiker. Volgens Blocken duurt de opbouw van een windtunnelexperiment soms dagen, waarbij het model en de meetapparatuur worden geïnstalleerd. Het windtunnel-experiment zelf kan in een paar minuten al voorbij zijn.

De onderzoekers hebben verschillende methodes om het gedrag van de wind tijdens zo’n test te meten. Het meest bekende is misschien wel het ‘rookspoor’, waarbij er dun straaltje rook in de stroming wordt geïnjecteerd. Dat beweegt dan met de wind langs het model. Hiermee maak je de stroming mooi zichtbaar, maar volgens Blocken is het niet geschikt voor precisie-metingen. Daarom staat er voor de ramen van de windtunnel een apparaat met twee grote lasers op beweegbare armen.

Bvof 2017 1128 my   windtunnel tu eindhoven
Een model van een vrachtwagen in de windtunnel. Een rookspoor laat zien hoe de wind zich om het model beweegt. In vergelijking met het formaat van de windtunnel zijn de modellen relatief klein (met een schaal van meestal 1:4 tot 1:14). Dat is bewust: bij een te groot model ontstaat er een soort ‘ophoping’ van lucht in tunnel en beïnvloeden de wanden het experiment.
TU Eindhoven/Bart van Overbeeke met toestemming

Het lasersysteem volgt minuscule oliedruppeltjes, minder dan 0,1 millimeter groot, die in de windtunnel worden geïnjecteerd. Door lasers op een bepaalde plek te richten, bepaalt het systeem de stroming, de snelheid en de richting van de lucht. Het idee is dat de lasers een gebied in de tunnel stukje voor stukje scannen en zo een volledig windprofiel bepalen. Het model (ook in het geval van een treintje wielrenners) beweegt in die tijd niet.

Een andere gebruikte methode is het meten van concentraties van bepaalde stoffen in de stroming, zoals methaan. De onderzoekers injecteren dat op een bepaald punt in een maquette en meten op andere plekken via buisjes die steeds een beetje lucht opzuigen. Dit is vooral nuttig voor het testen van verspreidingsmodellen. Tot slot laat Blocken wat hij zelf noemt ‘horizontale weegschalen’ aan me zien. Apparaten die de kracht bepalen die bijvoorbeeld wielrenners ervaren bij tegenwind.

Bvof 2017 1127 ark   lotto jumbo in windtunnel tue
De tijdritploeg van LottoNL-Jumbo in de windtunnel van de TU Eindhoven.
TU Eindhoven/Bart van Overbeeke met toestemming

‘Treintje’ in de tunnel

De afgelopen maand werd er al voorzichtig getest in de nieuwe windtunnel. De meeste aandacht trok de voltallige tijdritploeg van LottoNL-Jumbo-wielerploeg die plaatsnam in de tunnel. Blocken – zelf wielerfan – zegt dat de tunnel lang genoeg is voor een groep van maximaal veertien renners. In echte wielerwedstrijden ontstaan deze ‘treintjes’ vanzelf, doordat wielrenners in het wiel van de voorganger blijven hangen. Een van de voordelen is daarbij is het verminderen van luchtweerstand.

Hoe een wielploeg deze vermindering van luchtweerstand optimaal kan benutten, bepalen ze in de windtunnel. “De positie van de renners en de afstand ertussen heeft invloed”, zegt Blocken. “Ook de volgorde maakt uit, want niet iedereen heeft hetzelfde postuur en dezelfde ‘slipstream’. Tegenwoordig onderzoeken bijna alle professionele wielerploegen dit. Je maakt van een middelmatige wielrenner geen toprenner, maar je wint wel seconden. Dat kan het verschil maken.”

Einde van de windtunnel?

Computersimulaties worden in rap tempo preciezer en zijn essentieel voor veel vakgebieden in de wetenschap. Maar zagen we daarmee niet aan de poten van de windtunnel? Wanneer vervangen we windtunnelmodellen door digitale versies? Volgens Blocken zal dat nooit gebeuren. “In de jaren 70 en 80 schreven sommige wetenschappers al dat we de windtunnels in de toekomst vooral als opslagruimte zouden gebruiken”, zegt hij. “Maar ze blijven essentieel om de computermodellen te testen. Windtunnels worden volop gebruikt en gebouwd.”

328234main msl 20090414 full
Parachute-test in een windtunnel voor NASA’s Curiosity Rover. Het is met een diameter van ruim vijftien meter de grootste parachute die ooit voor de landing op een andere planeet is gebruikt. Rechtsonder is een persoon in beeld zien.

Sommige aspecten van een luchtstroom zijn nog steeds lastig te simuleren in een computer. Blocken noemt de eigenschappen zoals de ruwheid van de kleiding van een wielrenner. “Er ontstaat een grenslaagje van lucht die als het ware aan zo’n pak plakt”, zegt hij. “Die laag is slechts 0,2 millimeter dik. Wil je dat goed simuleren in een computer dan moet je een model maken waarin je de stroming in tientallen miljoenen ‘cellen’ simuleert. De simulatie wordt erg zwaar en duurt lang. Het accuraat doorrekenen van een wielrenner duurt dan al snel een hele dag. Dezelfde informatie hebben wij in onze windtunnel binnen enkele minuten boven water.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 december 2017

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.