211service.com
Op walvissen geïnspireerde windturbines
Zeewetenschappers vermoeden al lang dat de ongelooflijke behendigheid van bultruggen voortkomt uit de bultjes op de voorrand van hun vinnen. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Harvard een wiskundig model bedacht dat deze hydrodynamische rand helpt verklaren. Het werk geeft theoretisch gewicht aan een groeiend aantal empirische bewijzen dat soortgelijke hobbels kunnen leiden tot stabielere vliegtuigontwerpen, onderzeeërs met grotere wendbaarheid en turbinebladen die meer energie uit wind en water kunnen halen.
Finspiratie: De hobbels op de voorrand van de vinnen van de bultrug geven hem een hydrodynamisch voordeel. Onderzoekers ontdekken dat soortgelijke hobbels windturbines, ventilatorbladen en vliegtuigvleugels efficiënter kunnen maken.
We waren verrast dat we veel van de bevindingen uit windtunnels en watertunnels konden repliceren met behulp van relatief eenvoudige theorie, zegt Ernst van Nierop , een promovendus aan de School of Engineering and Applied Sciences van Harvard. Hij was co-auteur van de studie met wiskundeprofessor Michael Brenner en onderzoeker Silas Alben.
Het voordeel van de bultrugvin lijkt de aanvalshoek te zijn waartoe hij in staat is: de hoek tussen de waterstroom en het gezicht van de flipper. Wanneer de aanvalshoek van een walvisvinnen - of een vliegtuigvleugel - te steil wordt, is het resultaat iets dat stall wordt genoemd. In de luchtvaart betekent stall dat er niet genoeg lucht over het bovenoppervlak van de vleugel stroomt. Dit veroorzaakt een combinatie van verhoogde weerstand en verlies van lift, een potentieel gevaarlijke situatie die kan resulteren in een plotseling hoogteverlies. Eerdere experimenten hebben echter aangetoond dat de aanvalshoek van een bultrugvin tot 40 procent steiler kan zijn dan die van een gladde flipper voordat de stal optreedt.
In een papier onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven en gemarkeerd in het journaal Natuur , toonde het onderzoeksteam van Harvard aan dat de hobbels op de bultrugvin, ook wel bekend als knobbeltjes, de drukverdeling op de flipper veranderen, zodat sommige delen ervan afslaan voor andere. Omdat verschillende delen van de flipper onder verschillende aanvalshoeken afslaan, is abrupt afslaan gemakkelijker te vermijden. Dit effect geeft de walvis ook meer vrijheid om vanuit hogere hoeken aan te vallen en het vermogen om zijn hydrodynamische beperkingen beter te voorspellen.
De onderzoekers ontdekten ook dat de amplitude van de hobbels een grotere rol speelt dan het aantal hobbels langs de voorrand van een flipper. Het idee is dat je een vliegtuig zou kunnen maken dat veel moeilijker te stallen en gemakkelijker te besturen is, zegt van Nierop. Straaljagers zouden bijvoorbeeld kunnen worden ontworpen om meer acrobatisch te zijn zonder het risico van crashes door overtrekken. In het water zouden marine-onderzeeërs wendbaarder kunnen worden gemaakt.
Het Harvard-onderzoek valideert de eerste gecontroleerde windtunneltests van model flippers, vijf jaar geleden uitgevoerd aan de US Naval Academy, in Annapolis, MD, waar werd aangetoond dat stalling die typisch optreedt bij een aanvalshoek van 12 graden wordt uitgesteld tot de hoek bereikt 18 graden. In deze tests werd de weerstand met 32 procent verminderd en de lift met 8 procent verbeterd.
Dat onderzoek werd gedetailleerd in een 2004 studie in samenwerking met West Chester University en Duke University. Dit [werk van Harvard] toont in feite aan dat theorie en empirische metingen dicht bij elkaar liggen, en voegt meer gewicht toe aan onze oorspronkelijke bewering over de functie van de knobbeltjes, zegt Frank Fish, een biologieprofessor in West Chester en een hoofdauteur van het oorspronkelijke onderzoek.
Er worden nu al pogingen ondernomen om het tuberkelontwerp in commerciële producten op te nemen. Fish is voorzitter van een onderneming in Toronto, Ontario, genaamd Walviskracht , die is begonnen met het aantonen van de voordelen van knobbeltjes wanneer ze zijn geïntegreerd in de voorranden van windturbines en ventilatorbladen.
Prototypes van windturbinebladen (zie afbeelding hieronder) hebben aangetoond dat de vertraagde stalling de prestaties van de turbines verdubbelt bij windsnelheden van ongeveer 27 mijl per uur en de turbine in staat stelt meer energie op te vangen uit wind met een lagere snelheid. De turbines wekken bijvoorbeeld dezelfde hoeveelheid stroom op met een snelheid van 10 mijl per uur als conventionele turbines met een snelheid van 17 mijl per uur. De knobbeltjes leiden de luchtstroom effectief over de bladen en creëren wervelende draaikolken die de lift verbeteren.
WhalePower, gevestigd in Toronto, Ontario, test dit windturbineblad in een windtestfaciliteit op Prince Edward Island. De hobbels, of knobbeltjes, op de voorrand van het blad verminderen het geluid, verhogen de stabiliteit en stellen het in staat om meer energie uit de wind op te vangen.
Krediet: WhalePower
Stephen Dewar, directeur onderzoek en ontwikkeling bij WhalePower, zegt dat: lopende tests aan het Wind Energy Institute of Canada, in de provincie Prince Edward Island, hebben aangetoond dat de met tuberkel beklede bladen stabieler, stiller en duurzamer zijn dan conventionele bladen. De turbine heeft het overleefd door de rand van een orkaan te zijn geraakt en heeft door de wind aangedreven sneeuw en ijs overleefd, zegt hij.
WhalePower heeft in demonstraties ook aangetoond dat met tuberkel beklede bladen op industriële plafondventilatoren 20 procent efficiënter kunnen werken dan conventionele bladen, en dat ze beter werken bij het circuleren van de luchtstroom in een gebouw. De resultaten waren dramatisch genoeg om Canada's grootste maker van ventilatoren te overtuigen om een licentie te nemen voor het ontwerp, dat zal verschijnen in een nieuwe productlijn die eind april zal verschijnen.
Deze licentieovereenkomst met het fanbedrijf is geweldig, zegt Fish. Het toont in feite een van de vele mogelijke toepassingen voor deze technologie. De combinatie van biologie en techniek door middel van biomimetica zal toekomstige innovaties mogelijk maken.
De Harvard-studie komt tot dezelfde conclusie. Het is mogelijk dat de lessen die zijn geleerd van bultruggenvinnen binnenkort hun weg zullen vinden in het ontwerp van speciale vleugels, draagvleugelboten, evenals windturbine- en helikopterbladen.