Toevalstreffer
Toevalstreffer
Hoe groter de luchtweerstand, hoe meer energie nodig is om vooruit te komen. Met het oog op schonere luchtvaart is het zaak deze te beperken, bijvoorbeeld door invloed uit te oefenen op de luchtstromen rond een vliegtuig. Hoogleraar Marios Kotsonis (Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek) doet daar onderzoek naar. Hij ontving hiervoor in februari een Vici-beurs van onderzoeksfinancier NWO. Zijn onderzoeksgroep bestudeert voornamelijk laminaire stroming op pijlvleugels, die je op vrijwel alle typen passagiersvliegtuigen vindt. “Ze staan in een schuine hoek ten opzichte van de romp van het vliegtuig om schokgolven bij hoge snelheden te verminderen”, legt postdoc dr.ir. Alberto Rius Vidales (faculteit Mechanical Engineering) uit. “Vanwege deze hoek gedragen de pijlvleugels zich bij de overgang van luchtstromingen anders dan vleugels met een rechtere hoek.” Een grote uitdaging bij het zo lang mogelijk laminair laten zijn van een stroming is dat een pijlvleugel uit verschillende panelen bestaat. “Deze panelen zijn aan elkaar bevestigd met schroeven. Daarnaast ontstaan bij de verbindingen tussen de panelen kleine verhogingen op de vleugel, zogeheten steps. Al deze oneffenheden beïnvloeden de overgang van laminair naar turbulent. Hoe minder egaal het oppervlak, hoe eerder de transitie plaatsvindt.”
Verrassing
Voor vleugels van grote vliegtuigen op kruishoogte wil je echter zoveel mogelijk laminaire stroming en daarvoor moet je de ruwheid op de vleugel minimaliseren. Tijdens een windtunneltest deed Vidales in 2019, als promovendus, een even verrassende als baanbrekende ontdekking. “We onderzochten de nadelige effecten van steps op de pijlvleugel. De verwachting was dat ze de transitie van laminair naar turbulent zouden versnellen. Maar tot mijn grote verbazing zag ik dat ze onder bepaalde omstandigheden de transitie juist vertraagden. Dat was heel contra-intuïtief. Ik kon niet geloven wat ik zag.” Herhaling van de windtunneltest, wiskundige berekeningen en simulaties stelden hetzelfde effect vast. “Toen beseften we dat we iets bijzonders hadden ontdekt”, vertelt hoogleraar Marios Kotsonis. “Meestal observeer je iets, maak je een hypothese en test je of die hypothese klopt. Maar nu constateerden we iets dat totaal niet in lijn lag met wat we verwachtten, maar wel een doorbraak betekende. Hierdoor moesten we ons hele plan aanpassen.” Er kwam vervolgonderzoek naar de forward-facing step die de overgang naar de turbulente stroming uitstelde. Door berekeningen en experimenten wisten ze het effect verder te vergroten en ontwikkelden ze een manier om de step gladder te maken en te verlengen. Kotsonis: “Dit hebben we de Delft Laminar Hump (DeLaH) genoemd. Vanwege het baanbrekende karakter en de eenvoud hebben we het gepatenteerd.” Het fundamentele werkingsprincipe van de Hump is echter nog grotendeels onbekend. Kotsonis: “We weten dat het onder bepaalde omstandigheden werkt, maar niet precies waarom. Dit begrijpen is de volgende fase in ons onderzoek.”
De microchipsensoren die aan de TU Delft zijn ontworpen, werken ook bij kamertemperatuur. “Dit is ongelooflijk belangrijk omdat andere topsensoren cryogene koelkasten nodig hebben om goed te functioneren”, zegt Norte. “Doordat ze bij kamertemperatuur werken, wordt het onderzoek gemakkelijker, betaalbaarder en veel energiezuiniger.” De wetenschappers werken verder aan de spinnenwebsensor maar zetten ook andere stappen. Onlangs gebruikten ze machine learning om een nog nauwkeurigere microchipsensor te ontwerpen. “Voorheen was ons doel om zo klein mogelijke sensoren te maken. Nu kijken we naar grotere structuren en gebruiken we een ander ontwerp, een andere machine learning benadering. Deze sensoren kunnen de minuscule zwaartekracht meten tussen twee mensen die 100 kilometer van elkaar verwijderd zijn.”
Brandstofbesparing
De belangrijkste vraag is of de DeLaH werkt in de praktijk. Vidales: “We willen ook weten of onze hypotheses en theorieën standhouden als de Hump straks op een echte vleugel zit.” Met wat grove berekeningen laat Kotsonis zien hoe veelbelovend de DeLaH op dat gebied kan zijn. “Stel dat je de helft van een pijlvleugel laminair kunt maken, dan levert dat een brandstofbesparing op van 15 procent. Om dat in perspectief te plaatsen: bij elke nieuwe generatie vliegtoestellen verbetert het brandstofverbruik met 2 tot 3 procent. Hiervoor zijn allerlei verbeteringen nodig, zoals in de motor en aero-dynamica. Maar één relatief eenvoudige aanpassing kan dus mogelijk een vele malen grotere winst opleveren.”
Ze zijn bezig met hun onderzoek en stuiten onverwacht op iets anders. Het overkomt wetenschappers vaker. Deze keer: leidt een onverwacht onderzoeksresultaat tot een doorbraak in de klimaatneutrale luchtvaart?
Tekst Hidde Jansen
Alberto Rius Vidales (links) en Marios Kotsonis (rechts)
© TU Delft
Pijlvleugels staan in een schuine hoek om schokgolven bij hoge snelheden te verminderen. De groep van Marios Kotsonis onderzoekt laminaire stroming op pijlvleugels.
© TU Delft
Rustige en chaotische stromingen
Luchtstromingen zijn grofweg te verdelen in twee categorieën: laminaire en turbulente stroming. Op het moment dat een stroming het toestel raakt, bijvoorbeeld op de neus of vleugels, is die altijd laminair. Kotsonis: “Een laminaire stroming beweegt zich heel rustig en smooth over het oppervlak. Hierdoor is er nauwelijks wrijving en is de weerstand laag. Op een bepaald moment wordt deze stroming turbulent. Deze overgang wordt ook wel de transitie genoemd. Een turbulente stroming is heel chaotisch en kent veel fluctuaties, waardoor de luchtweerstand enorm toeneemt. De overgang van laminair naar turbulent wil je zo lang mogelijk uitstellen.”
Ze zijn bezig met hun onderzoek en stuiten onverwacht op iets anders. Het overkomt wetenschappers vaker. Deze keer leidt een onverwacht onderzoeksresultaat tot een doorbraak in de klimaatneutrale luchtvaart?
Tekst Ineke Boneschansker
Hoe groter de luchtweerstand, hoe meer energie nodig is om vooruit te komen. Met het oog op schonere luchtvaart is het zaak deze te beperken, bijvoorbeeld door invloed uit te oefenen op de luchtstromen rond een vliegtuig. Hoogleraar Marios Kotsonis (Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek) doet daar onderzoek naar. Hij ontving hiervoor in februari een Vici-beurs van onderzoeksfinancier NWO. Zijn onderzoeksgroep bestudeert voornamelijk laminaire stroming op pijlvleugels, die je op vrijwel alle typen passagiersvliegtuigen vindt. “Ze staan in een schuine hoek ten opzichte van de romp van het vliegtuig om schokgolven bij hoge snelheden te verminderen”, legt postdoc dr.ir. Alberto Rius Vidales (faculteit Mechanical Engineering) uit. “Vanwege deze hoek gedragen de pijlvleugels zich bij de overgang van luchtstromingen anders dan vleugels met een rechtere hoek.” Een grote uitdaging bij het zo lang mogelijk laminair laten zijn van een stroming is dat een pijlvleugel uit verschillende panelen bestaat. “Deze panelen zijn aan elkaar bevestigd met schroeven. Daarnaast ontstaan bij de verbindingen tussen de panelen kleine verhogingen op de vleugel, zogeheten steps. Al deze oneffenheden beïnvloeden de overgang van laminair naar turbulent. Hoe minder egaal het oppervlak, hoe eerder de transitie plaatsvindt.”
Alberto Rius Vidales (links) en Marios Kotsonis (rechts)
© TU Delft
Verrassing
Voor vleugels van grote vliegtuigen op kruishoogte wil je echter zoveel mogelijk laminaire stroming en daarvoor moet je de ruwheid op de vleugel minimaliseren. Tijdens een windtunneltest deed Vidales in 2019, als promovendus, een even verrassende als baanbrekende ontdekking. “We onderzochten de nadelige effecten van steps op de pijlvleugel. De verwachting was dat ze de transitie van laminair naar turbulent zouden versnellen. Maar tot mijn grote verbazing zag ik dat ze onder bepaalde omstandigheden de transitie juist vertraagden. Dat was heel contra-intuïtief. Ik kon niet geloven wat ik zag.” Herhaling van de windtunneltest, wiskundige berekeningen en simulaties stelden hetzelfde effect vast. “Toen beseften we dat we iets bijzonders hadden ontdekt”, vertelt hoogleraar Marios Kotsonis. “Meestal observeer je iets, maak je een hypothese en test je of die hypothese klopt. Maar nu constateerden we iets dat totaal niet in lijn lag met wat we verwachtten, maar wel een doorbraak betekende. Hierdoor moesten we ons hele plan aanpassen.” Er kwam vervolgonderzoek naar de forward-facing step die de overgang naar de turbulente stroming uitstelde. Door berekeningen en experimenten wisten ze het effect verder te vergroten en ontwikkelden ze een manier om de step gladder te maken en te verlengen. Kotsonis: “Dit hebben we de Delft Laminar Hump (DeLaH) genoemd. Vanwege het baanbrekende karakter en de eenvoud hebben we het gepatenteerd.” Het fundamentele werkingsprincipe van de Hump is echter nog grotendeels onbekend. Kotsonis: “We weten dat het onder bepaalde omstandigheden werkt, maar niet precies waarom. Dit begrijpen is de volgende fase in ons onderzoek.”
De microchipsensoren die aan de TU Delft zijn ontworpen, werken ook bij kamertemperatuur. “Dit is ongelooflijk belangrijk omdat andere topsensoren cryogene koelkasten nodig hebben om goed te functioneren”, zegt Norte. “Doordat ze bij kamertemperatuur werken, wordt het onderzoek gemakkelijker, betaalbaarder en veel energiezuiniger.” De wetenschappers werken verder aan de spinnenwebsensor maar zetten ook andere stappen. Onlangs gebruikten ze machine learning om een nog nauwkeurigere microchipsensor te ontwerpen. “Voorheen was ons doel om zo klein mogelijke sensoren te maken. Nu kijken we naar grotere structuren en gebruiken we een ander ontwerp, een andere machine learning benadering. Deze sensoren kunnen de minuscule zwaartekracht meten tussen twee mensen die 100 kilometer van elkaar verwijderd zijn.”
Brandstofbesparing
De belangrijkste vraag is of de DeLaH werkt in de praktijk. Vidales: “We willen ook weten of onze hypotheses en theorieën standhouden als de Hump straks op een echte vleugel zit.” Met wat grove berekeningen laat Kotsonis zien hoe veelbelovend de DeLaH op dat gebied kan zijn. “Stel dat je de helft van een pijlvleugel laminair kunt maken, dan levert dat een brandstofbesparing op van 15 procent. Om dat in perspectief te plaatsen: bij elke nieuwe generatie vliegtoestellen verbetert het brandstofverbruik met 2 tot 3 procent. Hiervoor zijn allerlei verbeteringen nodig, zoals in de motor en aero-dynamica. Maar één relatief eenvoudige aanpassing kan dus mogelijk een vele malen grotere winst opleveren.”
Pijlvleugels staan in een schuine hoek om schokgolven bij hoge snelheden te verminderen. De groep van Marios Kotsonis onderzoekt laminaire stroming op pijlvleugels.
© TU Delft
Rustige en chaotische stromingen
Luchtstromingen zijn grofweg te verdelen in twee categorieën: laminaire en turbulente stroming. Op het moment dat een stroming het toestel raakt, bijvoorbeeld op de neus of vleugels, is die altijd laminair. Kotsonis: “Een laminaire stroming beweegt zich heel rustig en smooth over het oppervlak. Hierdoor is er nauwelijks wrijving en is de weerstand laag. Op een bepaald moment wordt deze stroming turbulent. Deze overgang wordt ook wel de transitie genoemd. Een turbulente stroming is heel chaotisch en kent veel fluctuaties, waardoor de luchtweerstand enorm toeneemt. De overgang van laminair naar turbulent wil je zo lang mogelijk uitstellen.”