Echte windtunnels zijn duur. En de schaalmodellen van voorwerpen die daarin worden getest, zijn ook duur. In de Formule 1 heeft inmiddels de computer allang de plaats ingenomen van de goede oude tekentafel voor het ontwerpen van raceauto’s. Teams vertrouwen ook steeds meer op CDF-simulaties (computational fluid dynamics) in plaats van dure tests in echte windtunnels. Binnenkort gaat dat ook gebeuren voor modellen van vliegtuigen. Een team van wetenschappers uit Groot-Brittannië, de VS, Japan, Canada en Duitsland heeft aangetoond hoe digitale windtunnels kunnen worden gebruikt om vliegtuigen efficiënter en zuiniger te maken.
Afgezien van het feit dat zij veel goedkoper zijn dan fysieke windtunnels, heeft de digitale weergave van de stromingsomstandigheden nog een ander groot voordeel. Digitale simulaties zijn gedetailleerder en leveren sneller gegevens op dan fysieke windtunnel-experimenten. Momenteel worden motorturbines voor vliegtuigen ontworpen met behulp van een combinatie van RANS-simulaties (Reynolds Averaged Navier Stokes) en windtunnelproeven. In dit proces trachten RANS-simulaties het gedrag van turbulente stroming vast te leggen met behulp van modellen.
Nauwkeurige voorspellingen
De nauwkeurigheid van deze simulaties laat echter veel te wensen over, vooral voor onvaste stromingen. Bovendien zijn echte windtunneltests niet alleen duur, maar ook tijdrovend en leveren zij vaak slechts beperkte gegevens op. Daarom nemen simulaties een steeds prominentere plaats in. Deze zijn nauwkeuriger. En ze geven direct alle aspecten van turbulente stromingsfysica rechtstreeks weer. Zo worden nauwkeurige voorspellingen mogelijk, zelfs zonder windtunneltests. In hun studie richtten de onderzoekers zich op het optimaliseren van het ontwerp van turbinebladen voor straalmotoren om een grotere gewichtsbesparing te bereiken. Hierdoor kan het brandstofverbruik van vliegtuigen worden verminderd. Ook de voor het klimaat schadelijke uitstoot wordt verminderd
“Onze simulaties zijn om verschillende redenen opwindend”, zegt Peter Vincent van het Imperial’s Department of Aeronautics in het in Computers & Fluids gepubliceerde artikel hierover. “Ten eerste geven ze ons nauwkeurigere en meer gedetailleerde gegevens, zodat we veel kunnen leren over de onderliggende stromingsfysica. We kunnen ze mogelijk gebruiken om nieuwe turbulentiemodellen te trainen met behulp van machine-learningbenaderingen.”
Sneller en goedkoper
Ten tweede is het dankzij de vooruitgang in de computerhardware binnenkort wellicht mogelijk om sneller en goedkoper gegevens te verzamelen dan met fysieke windtunneltests. “Hoewel digitale windtunneltests de fysieke windtunnels pas over enkele jaren zullen vervangen, suggereert onze studie dat het nu een reële mogelijkheid is”, aldus Vincent. In de huidige studie ging het specifiek over het testen van turbinebladen van straalmotoren. De resultaten kunnen echter ook nuttig zijn op vele andere gebieden. Bijvoorbeeld voor het ontwerpen van onderzeeërs, auto’s, wolkenkrabbers en windturbines. Ingenieurs testen hiervoor nog steeds in windtunnels.
Ook interessant: ‘Batterijen zijn bij elektrische luchtvaart deel van het vliegtuig zelf’
