Met groefjes op zijn body komt een vliegmachine stukken verder. Hoe de ribbeltjes dat klaarspelen is niet helemaal duidelijk. Jacobiene van der Hoeven filmde de stroming boven de ribbels met verfijnd lasertuig, en ontdekte iets nieuws.
/strong>
Wervelwinden zijn zeldzaam in Nederland. Toch heeft iedereen wel eens last van een variant van dit natuurverschijnsel. Fietsers, auto’s en vliegtuigen ploeteren dagelijks voort in een zee van kolkende luchtstromingen. Het remmende effect van deze turbulentie is aanzienlijk. Bij vliegtuigen zorgen de draaikolkjes rond romp en vleugels voor de helft van de luchtweerstand.
Halverwege de jaren zestig ontdekten onderzoekers van Stanford University iets vreemds. Lange groefjes in de bewegingsrichting van een voorwerp, bleken de luchtweerstand behoorlijk te verminderen. Daar kon zelfs een tot spiegelglans opgewreven oppervlak niet aan tippen. Het experiment raakte echter in de vergetelheid. In de jaren zeventig herontdekte Nasa-onderzoeker M.J. Walsh de ribbeltjes, en deed hier uitputtende experimenten mee.
Vele onderzoekers traden in zijn voetsporen. Er is dan ook al heel wat bekend over deze zogenaamde riblets. ,,Met riblets kun je de weerstand met maximaal tien procent verminderen”, vertelt Van der Hoeven, die 14 februari promoveert bij het laboratorium voor aero- en hydrodynamica van Werktuigbouwkunde. ,,Cathay Pacific heeft ooit een Airbus voor dertig procent met ribbelfolie bekleed en bespaarde daarmee ongeveer één procent brandstof. Dit betekent bijvoorbeeld dat er vijf extra passagiers meekunnen.”
Nadien werden ook boten en schaatsers van ribbels voorzien. Ribbelfolieboer 3M houdt zijn fabricageprocédé angstvallig geheim, maar de natuur bleek het kunstje al langer te kennen. Haaien, waarvan de huid in gedroogde vorm uitstekend dienst doet als schuurpapier, glijden dankzij hun gegroefde schubben met groot gemak door de oceanen. ,,De Duitse paleontoloog Reif ontdekte zelfs dat de geometrie van haaienschubben overeenkwam met het optimum dat Walsh in zijn onderzoek had gevonden.”
Stoeiziek
Dat de eenvoudige ribbeltjes na dertig jaar nog steeds worden onderzocht, ligt aan het medium waarin ze hun werk doen. De turbulente stromingen in gassen en vloeistoffen laten zich niet zomaar in de kijker spelen. Boven het ribbeloppervlak buitelen de wervelingen stoeiziek over elkaar heen, in een complex samenspel van stromen en tegenstromen.
Riblets lijken vooral de dwarsstromingen in het roerige mengsel te verminderen. Maar op welk deel van de kolkende massa ze hun kalmerende werking uitoefenen, is niet helemaal duidelijk. In de grenslaag boven de ribben komen namelijk zowel gebieden met hoge als lage snelheid voor.
In simulaties, waarbij potente computers de theoretische stromingsmodellen doorrekenen, blijken de lage-snelheidsgebieden echter een belangrijke rol te spelen. Van der Hoeven wilde dit vermoeden wel eens in de praktijk toetsen. ,,Boven een oppervlak waar vloeistof langs stroomt, ontstaan low-speed streaks. Trage stromingsgebieden die als een soort riviertjes over het vlak meanderen. Je kunt verwachten dat een plaat met groeven de zijwaartse stroming afremt. De streaks worden dan minder kronkelig, en dat zou je moeten kunnen meten.”
De hamvraag is hoe je de ene stroming van de andere isoleert. Aan stromend water is tenslotte niet zoveel te zien. De reguliere meetapparatuur schiet in elk geval te kort. ,,Normaliter meet je de stroming in éénpunt. Maar om de invloed van een gegroefd oppervlak in kaart te brengen, moet je het hele snelheidsveld kunnen zien”, verduidelijkt ze. De sectie stromingsleer had net een nieuwe meetmethode ontwikkeld: digital particle image velocimetry. ,,Hierbij voeg je deeltjes aan de vloeistof toe”, verklaart ze. ,,Die zijn zo klein dat je mag aannemen dat ze de stromingen exact volgen. Door de bewegingen van de deeltjes te filmen, kun je dus de stromingen in beeld brengen.”
De onderzoekster gebruikte holle glaspareltjes, een vulmiddel waarmee kunststoffabrikanten hun plastic verstevigen. De deeltjes, acht micrometer groot, werden gescand met een roterende laserstraal. Een soort miniatuurvuurtoren die 360 keer per seconde een lichtbundel door de vloeistof jaagt. Zoals een stroboscoop hitsige bewegingen op de dansvloer in het netvlies kerft, legt de rondzwaaiende laserstraal de opeenvolgende posities van de glaspareltjes vast. ,,Dat kun je dertien seconden doen. Dan zit het computergeheugen vol en moet je de gegevens wegschrijven.”
Blokje
Een programma bepaalde vervolgens snelheid en richting van de pareltjes in het meetvlak. Dit leverde vellen vol vectorpijltjes op waaruit Van der Hoeven de verschillende stromingen kon destilleren. Dat was niet altijd hi-tech werk. Eén wand in het stromingslab is afgeladen met plotjes waarop de stromingen rood en groen zijn gemarkeerd. Vele meters met langgerekte amoebes, die Van der Hoeven en haar promotor met de hand hebben ingekleurd. ,,Daarmee loop je het risico dat je je meetresultaat beïnvloedt”, erkent ze. ,,Maar voor een eerste probeersel is het een heel bruikbare methode.”
Overigens gingen de metingen niet van een leien dakje. Op een gegeven moment gaf haar opstelling er de brui aan. Niemand wist waarom. ,,Na twee maanden waren we daar nog niet achter. We kregen gewoon geen goed beeld. Maar toen een student per ongeluk een plexiglas blokje in de opstelling liet vallen, zag ik de pareltjes op de monitor wel langsdrijven. Toen bleek dat de lensfilters zo waren ingesteld dat ze het laserlicht blokkeerden. Door het blokje waren de pareltjes toevallig wel te zien omdat dat het licht in een andere richting polariseerde.”
Later liet de natuurkundig ingenieur de analyse van de vectorvelden aan de computer over. Maar de low-speed streaks hielden zich daarbij angstvallig gedeisd. Welke analysemethode ze ook probeerde, Van der Hoeven kon niet aantonen dat deze trage stromingen zich ook maar iets aantrokken van de ribbels waarover ze zich voortkronkelden.
,,Ik mat wel een heel klein verschil, maar dat kwam eigenlijk niet boven de meetruis uit.” Misschien komt dat door de ribbelplaat die ze gebruikte. ,,Ik heb voor een plaat met v-vormige groeven gekozen omdat die makkelijk is te maken. Je draait een schroefdraad op een pvc-pijp, die je vervolgens openknipt en platperst. Maar hiermee bereik je hooguit vijf procent weerstandsverlaging. Wellicht is dat net te weinig voor het effect dat ik wilde vinden.”
Onderzeeërs
Maar terwijl ze naar het zoveelste niet-significante meetresultaat zat te turen, viel haar opeens een patroon op. De gebieden met een snelle stroming, die ze aanvankelijk had genegeerd, leken wel beïnvloed te worden door de ribbels. ,,Ik dacht eerst dat dit wishful thinking was, dat ik toch een effect meende te zien dat er niet was. Maar nadat ik de metingen opnieuw gecontroleerd had, bleek het toch waar te zijn. De dwarsstroming van de high-speed regions wordt sterk verminderd door de ribbels.”
De onderzoekster kan wel verklaren waarom de snelle stromingen duidelijkere resultaten geven dan hun langzame broeders. ,,Bij het bestuderen van de hoge-snelheidsgebieden hebben we een andere analyse methode kunnen gebruiken, die minder gevoelig voor ruis is dan die voor het meanderen van de lage sneldheidsgebieden.” In de literatuur vond ze uiteindelijk ondersteuning voor haar conclusie. ,,Maar ik heb nog nergens gelezen dat de hoge-snelheidsgebieden direct door de riblets worden beïnvloed. Dat is dus een ontdekking waar ik met veel plezier op terugkijk.”
En zo leveren de ribbels na dertig jaar weer een nieuw inzicht op. De theorie vindt weer aansluiting bij de werkelijkheid. Niet dat de groefjes het ultieme antwoord zijn op de vraag naar meer snelheid en zuinigheid.
,,Door polymeren aan water toe te voegen kun je de weerstand nog veel sterker verlagen. Dat werkt natuurlijk alleen in gesloten systemen. Maar ik heb opgevangen dat de marine wel eens dergelijke proeven heeft gedaan met onderzeeërs. Waarschijnlijk door de polymeren bij de neus in het water te injecteren, en de duikboot er dan doorheen te laten glijden. Van dat soort experimenten vind je in de literatuur natuurlijk niets terug.”
Met groefjes op zijn body komt een vliegmachine stukken verder. Hoe de ribbeltjes dat klaarspelen is niet helemaal duidelijk. Jacobiene van der Hoeven filmde de stroming boven de ribbels met verfijnd lasertuig, en ontdekte iets nieuws.
Wervelwinden zijn zeldzaam in Nederland. Toch heeft iedereen wel eens last van een variant van dit natuurverschijnsel. Fietsers, auto’s en vliegtuigen ploeteren dagelijks voort in een zee van kolkende luchtstromingen. Het remmende effect van deze turbulentie is aanzienlijk. Bij vliegtuigen zorgen de draaikolkjes rond romp en vleugels voor de helft van de luchtweerstand.
Halverwege de jaren zestig ontdekten onderzoekers van Stanford University iets vreemds. Lange groefjes in de bewegingsrichting van een voorwerp, bleken de luchtweerstand behoorlijk te verminderen. Daar kon zelfs een tot spiegelglans opgewreven oppervlak niet aan tippen. Het experiment raakte echter in de vergetelheid. In de jaren zeventig herontdekte Nasa-onderzoeker M.J. Walsh de ribbeltjes, en deed hier uitputtende experimenten mee.
Vele onderzoekers traden in zijn voetsporen. Er is dan ook al heel wat bekend over deze zogenaamde riblets. ,,Met riblets kun je de weerstand met maximaal tien procent verminderen”, vertelt Van der Hoeven, die 14 februari promoveert bij het laboratorium voor aero- en hydrodynamica van Werktuigbouwkunde. ,,Cathay Pacific heeft ooit een Airbus voor dertig procent met ribbelfolie bekleed en bespaarde daarmee ongeveer één procent brandstof. Dit betekent bijvoorbeeld dat er vijf extra passagiers meekunnen.”
Nadien werden ook boten en schaatsers van ribbels voorzien. Ribbelfolieboer 3M houdt zijn fabricageprocédé angstvallig geheim, maar de natuur bleek het kunstje al langer te kennen. Haaien, waarvan de huid in gedroogde vorm uitstekend dienst doet als schuurpapier, glijden dankzij hun gegroefde schubben met groot gemak door de oceanen. ,,De Duitse paleontoloog Reif ontdekte zelfs dat de geometrie van haaienschubben overeenkwam met het optimum dat Walsh in zijn onderzoek had gevonden.”
Stoeiziek
Dat de eenvoudige ribbeltjes na dertig jaar nog steeds worden onderzocht, ligt aan het medium waarin ze hun werk doen. De turbulente stromingen in gassen en vloeistoffen laten zich niet zomaar in de kijker spelen. Boven het ribbeloppervlak buitelen de wervelingen stoeiziek over elkaar heen, in een complex samenspel van stromen en tegenstromen.
Riblets lijken vooral de dwarsstromingen in het roerige mengsel te verminderen. Maar op welk deel van de kolkende massa ze hun kalmerende werking uitoefenen, is niet helemaal duidelijk. In de grenslaag boven de ribben komen namelijk zowel gebieden met hoge als lage snelheid voor.
In simulaties, waarbij potente computers de theoretische stromingsmodellen doorrekenen, blijken de lage-snelheidsgebieden echter een belangrijke rol te spelen. Van der Hoeven wilde dit vermoeden wel eens in de praktijk toetsen. ,,Boven een oppervlak waar vloeistof langs stroomt, ontstaan low-speed streaks. Trage stromingsgebieden die als een soort riviertjes over het vlak meanderen. Je kunt verwachten dat een plaat met groeven de zijwaartse stroming afremt. De streaks worden dan minder kronkelig, en dat zou je moeten kunnen meten.”
De hamvraag is hoe je de ene stroming van de andere isoleert. Aan stromend water is tenslotte niet zoveel te zien. De reguliere meetapparatuur schiet in elk geval te kort. ,,Normaliter meet je de stroming in éénpunt. Maar om de invloed van een gegroefd oppervlak in kaart te brengen, moet je het hele snelheidsveld kunnen zien”, verduidelijkt ze. De sectie stromingsleer had net een nieuwe meetmethode ontwikkeld: digital particle image velocimetry. ,,Hierbij voeg je deeltjes aan de vloeistof toe”, verklaart ze. ,,Die zijn zo klein dat je mag aannemen dat ze de stromingen exact volgen. Door de bewegingen van de deeltjes te filmen, kun je dus de stromingen in beeld brengen.”
De onderzoekster gebruikte holle glaspareltjes, een vulmiddel waarmee kunststoffabrikanten hun plastic verstevigen. De deeltjes, acht micrometer groot, werden gescand met een roterende laserstraal. Een soort miniatuurvuurtoren die 360 keer per seconde een lichtbundel door de vloeistof jaagt. Zoals een stroboscoop hitsige bewegingen op de dansvloer in het netvlies kerft, legt de rondzwaaiende laserstraal de opeenvolgende posities van de glaspareltjes vast. ,,Dat kun je dertien seconden doen. Dan zit het computergeheugen vol en moet je de gegevens wegschrijven.”
Blokje
Een programma bepaalde vervolgens snelheid en richting van de pareltjes in het meetvlak. Dit leverde vellen vol vectorpijltjes op waaruit Van der Hoeven de verschillende stromingen kon destilleren. Dat was niet altijd hi-tech werk. Eén wand in het stromingslab is afgeladen met plotjes waarop de stromingen rood en groen zijn gemarkeerd. Vele meters met langgerekte amoebes, die Van der Hoeven en haar promotor met de hand hebben ingekleurd. ,,Daarmee loop je het risico dat je je meetresultaat beïnvloedt”, erkent ze. ,,Maar voor een eerste probeersel is het een heel bruikbare methode.”
Overigens gingen de metingen niet van een leien dakje. Op een gegeven moment gaf haar opstelling er de brui aan. Niemand wist waarom. ,,Na twee maanden waren we daar nog niet achter. We kregen gewoon geen goed beeld. Maar toen een student per ongeluk een plexiglas blokje in de opstelling liet vallen, zag ik de pareltjes op de monitor wel langsdrijven. Toen bleek dat de lensfilters zo waren ingesteld dat ze het laserlicht blokkeerden. Door het blokje waren de pareltjes toevallig wel te zien omdat dat het licht in een andere richting polariseerde.”
Later liet de natuurkundig ingenieur de analyse van de vectorvelden aan de computer over. Maar de low-speed streaks hielden zich daarbij angstvallig gedeisd. Welke analysemethode ze ook probeerde, Van der Hoeven kon niet aantonen dat deze trage stromingen zich ook maar iets aantrokken van de ribbels waarover ze zich voortkronkelden.
,,Ik mat wel een heel klein verschil, maar dat kwam eigenlijk niet boven de meetruis uit.” Misschien komt dat door de ribbelplaat die ze gebruikte. ,,Ik heb voor een plaat met v-vormige groeven gekozen omdat die makkelijk is te maken. Je draait een schroefdraad op een pvc-pijp, die je vervolgens openknipt en platperst. Maar hiermee bereik je hooguit vijf procent weerstandsverlaging. Wellicht is dat net te weinig voor het effect dat ik wilde vinden.”
Onderzeeërs
Maar terwijl ze naar het zoveelste niet-significante meetresultaat zat te turen, viel haar opeens een patroon op. De gebieden met een snelle stroming, die ze aanvankelijk had genegeerd, leken wel beïnvloed te worden door de ribbels. ,,Ik dacht eerst dat dit wishful thinking was, dat ik toch een effect meende te zien dat er niet was. Maar nadat ik de metingen opnieuw gecontroleerd had, bleek het toch waar te zijn. De dwarsstroming van de high-speed regions wordt sterk verminderd door de ribbels.”
De onderzoekster kan wel verklaren waarom de snelle stromingen duidelijkere resultaten geven dan hun langzame broeders. ,,Bij het bestuderen van de hoge-snelheidsgebieden hebben we een andere analyse methode kunnen gebruiken, die minder gevoelig voor ruis is dan die voor het meanderen van de lage sneldheidsgebieden.” In de literatuur vond ze uiteindelijk ondersteuning voor haar conclusie. ,,Maar ik heb nog nergens gelezen dat de hoge-snelheidsgebieden direct door de riblets worden beïnvloed. Dat is dus een ontdekking waar ik met veel plezier op terugkijk.”
En zo leveren de ribbels na dertig jaar weer een nieuw inzicht op. De theorie vindt weer aansluiting bij de werkelijkheid. Niet dat de groefjes het ultieme antwoord zijn op de vraag naar meer snelheid en zuinigheid.
,,Door polymeren aan water toe te voegen kun je de weerstand nog veel sterker verlagen. Dat werkt natuurlijk alleen in gesloten systemen. Maar ik heb opgevangen dat de marine wel eens dergelijke proeven heeft gedaan met onderzeeërs. Waarschijnlijk door de polymeren bij de neus in het water te injecteren, en de duikboot er dan doorheen te laten glijden. Van dat soort experimenten vind je in de literatuur natuurlijk niets terug.”
Comments are closed.