Digital dunes

Dune erosion wouldn’t occur if it wasn’t for long and short sea waves working together, according to the research findings of Jaap van Thiel de Vries. He received his doctoral degree on September 1 from TU Delft’s  department of hydraulic engineering. “Short waves are those generated by the wind, but they usually don’t reach the dune front,” he explains. “The short waves do in turn generate long waves, and it’s these waves that wash sand from the dunes into the sea. Once there, groups of short waves cause turbulence in the water column, thereby keeping the sand in suspension and enabling the current to transport it further seawards. Without the short waves, the eroded sand would just form heaps somewhere near the waterfront and become barriers to further erosion.”

Van Thiel de Vries’ PhD project focused on helping to develop a new, detailed model of dune erosion during storm surges. Dunes are vital for the Netherlands, since most of the western part of the country lies below sea level. Using a dune erosion model developed at TU Delft in the 1980s, Rijkswaterstaat, a governmental public works agency, therefore closely monitors whether the country’s dunes are strong enough to resist strong surges. Van Thiel de Vries: “This old model is still very good, although it doesn’t hold true for every situation. For instance, the model isn’t applicable when dunes are combined with solid constructions, or when the coastline is very curved.”

The main difference between the old and new models is that the old model is based on empirical data and uses only a few parameters, such as the maximum storm level. The new model, called XBeach, is a generic, bottom up model that examines the different physical processes underlying dune erosion. Apart from mapping these processes, the model also considers the alongshore direction. XBeach can therefore be used at any arbitrary point along the Dutch coast, and instead of just determining what the maximum erosion will be during a certain storm level, this model can describe the evolution of the shore profile in time.

Delta flume
To study the physical processes underlying erosion, Van Thiel de Vries conducted experiments in the Delta flume, which is a 240 metre long by 5 metre wide ditch containing a wave generator. Add water and sand to this flume, and the process of waves bashing into the dunes can be accurately simulated. It was while conducting these experiments that Van Thiel de Vries discovered that both long and short waves are needed for dune erosion to occur. He considers this to be his research’s most important new insight, but he also obtained some other satisfying results, such as establishing a rule of thumb for determining the effect the wave period (the time between two wave heads) has on dune erosion. Van Thiel de Vries discovered that if this time span increases by 50 percent, there will be 25 percent more erosion.
He also found that there are basically two steps to dune erosion, with slightly different physical processes occurring in each step. First, waves sweep over the dune front, making the slopes steeper with each wave. This is the phase during which the most sand is washed out to sea. At a certain point, the slope becomes so steep that waves can no longer wash over it, so instead begin bashing into the sandy slopes. In this phase less sand is transported. The XBeach model was validated using actual storm and erosion data.
Van Thiel de Vries now works at Deltares, an independent institute for applied research, where he is busy further refining the model and developing it into a useable assessment tool for organizations like Rijkswaterstaat. Van Thiel de Vries: “For most part, the safety of our dunes should still be assessed using the old model, because that one is simpler and faster. But XBeach should be used for points along the coasts that cannot be assessed with the old model. If one of those points should turn out to be a weak spot, then it won’t matter how strong the rest of our dunes are – we’d still get wet feet.”  

Dat de nieuwe Boeing 787 voor vijftig procent uit composiet en
maar twintig procent uit aluminium bestaat, was een grote commer-ciële doorbraak voor de acceptatie van composiet. Eindelijk durfde een grote vliegtuigbouwer het aan om vezelversterkte kunststoffen te gebruiken. Wetenschappers denken inmiddels al verder. Op 9 december hoopt de Syriër Ahmad Alhaj Ahmad bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek te promoveren op een nieuwe generatie composieten. Hij is een van de pioniers die aan de nieuwste ontwikkelingen werkt. Opmerkelijk genoeg worden bij de nieuwe composieten de vezels niet recht gelegd, zoals nu nog gebeurt, maar in allerlei vormen om variabele stijfheid te creëren.
“Dankzij de variabele stijfheid kun je profiteren van composieten”, zegt Alhaj Ahmad van de afdeling aerospace structures. “Ten opzichte van de huidige composieten is er een groot voordeel. De nieuwe methode met vloeiende vezelpaden en variabele stijfheid is bij toepassing in een vliegtuig maar liefst 25 procent lichter dan de huidige composieten.”
Alhaj Ahmad richt zich vooral op de drukplooiing van de romppanelen van een vliegtuig. “In een commercieel vliegtuig zorgt de cabinedruk voor grote verschillen in de verspreiding van druk over de panelen, waaruit het vliegtuig bestaat. Hoe stijf het materiaal van de panelen moet zijn, hangt voor een groot gedeelte af van de plaatselijke druk. Met vloeiende vezelpaden kun je die stijfheid bepalen. Zo kun je heel nauwkeurig te werk gaan. Nu is nog wel elk gedeelte van de panelen even stijf, doordat de vezels nog recht worden gelegd. Ook op plekken waar je materiaal helemaal niet zo stijf hoeft te zijn.”
Het was van groot belang dat Alhaj Ahmad kon aantonen dat de nieuwe generatie composieten de druk aan zou kunnen in een vliegtuig. “Door de interne druk in een vliegtuig kan de huid puilen of plooien, zoals dat in ons vakgebied heet. Door deze drukplooiingsproblemen zijn spanten en dwarsliggers nodig om de manoeuvrebelastingen te dragen. Als de druk bij deze verstijvingen te groot wordt, kan de constructie bezwijken. Daarom heb ik er voor alle panelen naar gekeken welke prestatie ze moeten leveren. Welk gewicht ze moeten hebben, wat hun maximale sterkte moet zijn en de zogenaamde maximale knikprestatie. Uit mijn onderzoek blijkt dat de knikprestatie met zestig procent verbeterd kan worden door variabele stijfheid toe te passen.”
Dat Alhaj Ahmad aantoont dat de nieuwe composieten een verbetering zijn ten opzichte van de oude, wil niet zeggen dat ze binnenkort al in de vliegtuigindustrie worden toegepast. “Dat is voorlopig toekomstmuziek”, zegt de Syriër. “De vliegtuigindustrie is heel conservatief. Als ze nieuw materiaal gebruikt, moet het zeer uitvoerig getest zijn. De komende jaren moet dat gebeuren. Met succesvolle tests kunnen we bewijzen dat deze nieuwe generatie een grote verbetering is. Dat kan nog een lange tijd duren, het is lastig te voorspellen hoe lang. Een nadeel van de ontwikkeling van composieten met variabele stijfheid is dat het duurder is om te maken, omdat de vezelplaatsingsmachines steeds opnieuw moeten worden ingesteld, afhankelijk van de gewenste stijfheid.”
Alhaj Ahmad vertrekt nog voor de jaarwisseling naar zijn geboorteland Syrië. “Daar ga ik studenten lesgeven over luchtvaarttechniek, onder meer over composieten. Ik hoop dat ik daarnaast nog verder kan werken aan de ontwikkeling van deze nieuwe generatie composieten. Want dat het nog een relatief nieuw materiaal is, dat zich nog moet bewijzen, maakt het onderzoek ernaar zo interessant.”