Stromings tunnel onderzoekt de belletjes in zoet en zout water

Stromingsonderzoeker dr.-ing. Cornel Thill van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Materiaalwetenschappen (3mE) leidt ons rond bij de tunnel. Hij steekt meteen van wal. De tunnel is gemaakt van super duplex roestvrijstaal en is daardoor geschikt voor zoet en zout water. Dat is van belang omdat belletjes, waar veel van het onderzoek over gaat, zich anders gedragen in zoet en zout water.

Verder is de constructie met veel externe ribben en dikke stalen platen buitengewoon stevig om zowel bij onderdruk als bij 2 bar overdruk te kunnen werken en de vervorming daarbij tot hooguit 4 promille te beperken. Een vergelijkbare faciliteit zegt hij niet te kennen in de wereld.

Machtige machine
Er zijn tal van details waar Thill met plezier en trots over uitweidt. Hij noemt de speciale 110 kilowatt pomp in de kelder die producent Voith extra geruisloos wist te maken door de speciale opbouw en met speciaal aangepaste bladen. Na de pomp volgt een brede platte doos waar het water langzaam doorheen stroomt (circa 1 meter per seconde) om alle luchtbellen af te vangen voordat het water met een snelheid van maximaal 13 meter per seconde langs het proefstuk in het glazen gedeelte stroomt. De totale inhoud van de stromingstunnel bedraagt 17.500 liter.

De constructie neemt drie verdiepingen in beslag en bevindt zich in dezelfde vleugel als de sleeptank (waar scheepsmodellen bemeten worden). De zware uitvoering in extreem roestvrij staal is een gevolg van de twee soorten onderzoek die hier plaats zullen vinden: cavitatie en luchtsmering.

^{Door cavitatie aangevreten deel van een bronzen scheepsschroef. Het oppervlak was oorspronkelijk volkomen glad en glanzend.}

Cavitatie veroorzaakt schade
Voor onderzoek aan cavitatie is vaak onderdruk nodig. Als de lokale druk maar laag genoeg is gaat ook koud water nog ‘koken’. Vorming van dampbellen (‘koken’) in het water bij een scheepsschroef staat bekend als cavitatie. Dat treedt bij onderdruk sneller op, wat het onderzoek vereenvoudigt.

In de praktijk kan cavitatie aanzienlijke schade aanbrengen aan de schroef of het roer van een schip doordat bij het imploderen van dampbelletjes plaatselijk veel energie vrijkomt. Daarnaast veroorzaakt cavitatie geluidshinder onder water. “Voor een efficiënte voortstuwing is het van belang om een balans te vinden tussen maximaal rendement en acceptabele cavitatie op de schroef”, stelt Van Terwisga. “Het lastig is dat die twee doelen elkaar in het ontwerp tegenwerken. Dus moeten trillingshinder, uitgestraald geluid, en schade aan de schroef tot aanvaardbare niveaus worden teruggebracht.”

Het ontstaan van cavitatie en eventuele preventiemaatregelen kunnen hier in realistisch zout water onderzocht worden. “In zout water zijn luchtbelletjes kleiner”, vertelt Thill. “Bruisend zeewater ziet er daardoor witter uit dan zoet water. Dat blijft door grotere bellen langer transparant.”

‘Wij willen die wrijvingsreductie beter begrijpen’

De andere onderzoekstak is de vermindering van wrijving door een laag luchtbelletjes. Er zijn omstandigheden bekend waarbij de energie voor de aandrijving netto met 15 procent verminderde door een laag luchtbellen. De energie voor de opwekking van de luchtbellen is hierbij verrekend. “Wij willen die wrijvingsreductie beter begrijpen”, aldus Thill.

Daarvoor is een plafond in de tunnel aangebracht. Krachtopnemers meten de wrijving van het langsstromende water, en een luchttoevoer doseert bellen voor het plafond. Zo kan het veelbelovende verschijnsel systematisch onderzocht worden in zout en zoet water. Voor een realistische meting bij maximaal 20 meter diepte kan de druk in de hele tunnel tot 2 bar worden opgevoerd.

De komende tijd zijn technici druk bezig om alle regelsystemen op elkaar af te stellen. Tegen het eind van het kalenderjaar verwachten Thill en zijn ploeg dat de tunnel inzetbaar is voor onderzoek en practica op het gebied van cavitatie en luchtsmering – twee belangrijke onderwerpen voor de scheepvaart.

Samenwerking
Het initiatief voor de tunnel kwam van onderzoeksleider prof.dr.ir. Tom van Terwisga (3mE en onderzoeksinstituut Marin in Wageningen) waarna in nauwe samenwerking met prof.dr.ir. Jerry Westerweel en prof.dr.ir. Christian Poelma (3mE) de middelen en kennis gevonden werden voor realisatie.
Het eerste ontwerp stamt uit 2017 en werd gemaakt door promovendus Swaraj Nanda. Dat ontwerp werd bijgewerkt door Cornel Thill met hulp van stromingsexperts van TU Delft en Marin. Naast vijf jaar tijd kostte de tunnel zo’n 1,5 miljoen euro waarvan de TU de helft investeerde en onderzoeksfinancier NWO de andere helft bijdroeg.

^{Een maquette toont het verborgen deel van de tunnel met de pomp twee verdiepingen lager.}

^{De fluisterstille pomp van 110 kW bevindt zich in de stalen kast boven de composiet U-bocht.}