Versie 1.1. Windtunnel gebruiken

Techniek NexT – Docentenhandleiding

1

Versie 1.1

Windtunnel gebruiken Bijbehorende Werkbeschrijvingen: D24, D64 en D84 t/m D87.

A Bronbestanden B Antwoorden C Toetsvragen D Werkbeschrijvingen E Docentenhandleiding

van

13

Extra Opties

24 E blad

Technicles Windtunnel

De Technicles windtunnel is een prachtig didactisch hulpmiddel bij verschillende lessen en projecten. Het wordt vooral gebruikt om verschijnselen bij luchtstromingen te onderzoeken en te testen. Leerlingen kunnen met de windtunnel heel goed leren om ontwerpen te verbeteren door ze uit te proberen. In Techniek Next zijn er lessen gemaakt over windturbines en de luchtweerstand van voertuigen.

Inoud Technicles Windtunnel...........................................................................................................1 De educatieve waarde van de windtunnel.............................................................................2 De windtunnel – wat is het eigenlijk?....................................................................................2 Het gebruik in lessen..............................................................................................................4 Achtergrondkennis en tips.....................................................................................................6 Bronnen en verwijzingen.....................................................................................................13 Bijbehorende lessen van Techniek NexT..............................................................................13

©

Technicles – Centrum voor Innovatief Leren

2

van

13

Windtunnel gebruiken

De educatieve waarde van de windtunnel

Techniek is het vak met de vele mogelijkheden. De praktische resultaten geven de leerling snel en duidelijk feedback over hun leren en vaardigheden. Een van de aardigste hulpmiddelen daarbij is een windtunnel. Leerlingen zijn er gek op. Ook bij het maken van profielwerkstukken over een zelfstandig uitgevoerd onderzoek bij Natuurkunde in de bovenbouw wordt de windtunnel graag gebruikt. Ook daarbij kom je dezelfde enthousiaste reacties tegen. Wat is het geheim van dit leermiddel? Of ze nu op het vmbo zitten of op het gymnasium, alle leerlingen willen graag snel resultaat zien. De windtunnel geeft dat. Elke test-’run’ geeft een waarde die gemakkelijk kan worden omgezet in een cijfer. Leerlingen gaan daarna direct verbeteren en opnieuw testen. De windtunnels blijken als leermiddel een hoog ‘huisdiergehalte’ te hebben: ze geven de leerlingen meteen terug wat ze er zelf aan inzet instoppen. Als leraar kost het je vaak moeite om een leerling te bewegen een opdracht of een werkstuk te verbeteren. Met een windtunnel hoef je als docent echt geen moeite te doen. Dezelfde leerlingen verdringen zich voor de meetopstellingen, om meteen te zien welk effect hun inspanningen heeft. “Leren door doen” in optima forma. Zelfs een ‘afstraffing’ in de vorm van een lager resultaat leidt tot correcties en niet tot het opgeven van de inspanning, zoals zo vaak gebeurt. Het eind van een les geeft regelmatig problemen doordat leerlingen niet willen stoppen. Die éne verbetering moet nog net even gemeten en veiliggesteld. Een windtunnel is inzetbaar in vele situaties. Soms worden direct de krachten op een voorwerp in de luchtstroom gemeten. Dat is het geval bij metingen aan gebouwen en vliegtuigvleugels. Maar de windtunnel wordt ook ingezet om een constante luchtstroom te produceren, waarin windturbines kunnen worden beproefd buiten de tunnel. Oudere leerlingen kunnen hun vaardigheden in het toepassen van natuurkundige kennis oefenen. Niet alleen meten zij aan het gedrag en de eigenschappen van voorwerpen als auto’s en vliegtuigen, maar ook het meten zelf is soms onderwerp van studie. Leerlingen ontwerpen dan nieuwe en snelle meetmethodes. In het geval dat meerdere vakken gebruik kunnen maken van de windtunnel, is dat een goede voedingsbodem voor dwarsverbindingen tussen de vakken. Niet zelden maken de ervaringen van leerlingen bij het vak techniek dat zij in de bovenbouw voor het vak Natuurkunde kiezen voor technische benaderingen van een te onderzoeken probleem.

De windtunnel – wat is het eigenlijk?

De windtunnel is een open buis waarin een luchtstroom wordt gegenereerd. Het zijn open windtunnels, dat wil zeggen dat de lucht wordt aangezogen uit de omgeving en er ook weer in wordt uitgeblazen. Het duurste element erin is de turbine. Het is een axiale wandventilator voor fabrieksruimtes. Niet goedkoop, maar een stuk stiller en krachtiger dan het alternatief: de stofzuigeraandrijving. In de klas geeft deze tunnel geen noemenswaardige herrie en je kunt zelfs vlak in de buurt nog gewoon met elkaar praten.

Techniek NexT – Windtunnel gebruiken

3 van 13

De veiligheid gebiedt dat de voorkant van de tunnel geheel bestaat uit aluminium gatenplaat. De gaten in de aanzuigkamer zijn zo klein dat leerlingen de fan niet als puntenslijper kunnen gebruiken. Een aantal verticale schotjes na de fan zorgt voor een mooie gerichte luchtstroming naar de meetkamer. De meetkamer heeft een wegneembare transparante wand. Het model wordt op een verticale pen gestoken, die door een gleuf in de bodem vooruit en achteruit kan bewegen. Om een weerstandsvrije beweging te krijgen, is de pen op een drijver van PS-schuim bevestigd, die in een bak met water onder de tunnel drijft. Een model in de tunnel wordt naar achteren geblazen door de luchtstroom, maar wordt aan de voorkant tegengehouden door een aangehaakte draad, die aan de haak van een veerunster boven de tunnel zit. Bij een bepaalde windsnelheid stelt zich een evenwicht in tussen de weerstand van het model en de kracht op de veerunster. Die kracht wordt afgelezen en is een maat voor de weerstand van het model. De windsnelheid kan worden gevarieerd. De snelheid van de fan wordt elektrisch geregeld via een knop. De luchtsnelheid wordt afgelezen met behulp van een eenvoudige windsnelheidsmeter: een bolletje van PS-schuim boven het model wordt naar achteren geblazen. Het is rechtstreeks aan een wijzer bevestigd. Op een schaalverdeling achter de wijzer staan de windkrachten in Beaufort. Deze schaalverdeling kun je aanbrengen met behulp van een ijkinstrument, zoals een anemometer. Door de transparante wand van de meetkamer kunnen foto’s worden gemaakt van stromingen. Deze windtunnel heeft geen rooksliertvoorziening, maar dat zou kunnen worden bijgemaakt. Wel kunnen duidelijk gekleurde draadjes op de testmodellen worden gelijmd, die de stroming om het model aangeven. De windtunnel zelf bestaat uit de volgende onderdelen. 1. Tunnel met gaten voor meetinstrumenten en meetkamer en losse tunnelsteun 2. Motordeel met motor en geleidingsschotjes 3. Toerenregelaar 4. Krachtmeetinstrument (veerunster) 5. Windmeter 6. Drijver voor de modellen. De beschrijving van de bouw staat in Werkbeschrijving D24.

4

van

13


Voor de verschillende toepassingen kunt u voor de windtunnel maken: A Vulmodellen van auto’s – Werkbeschrijving D64 B Meetopstelling voor windgeneratoren – Werkbeschrijving D84 C Rolbaan voor TWIK’s achter de windtunnel – Werkbeschrijving D85 D Modellen van gebouwen met winddraadjes – Werkbeschrijving D86 E Meetopstelling met vleugelprofielen van vliegtuigen en sportauto’s – Werkbeschrijving D87

Het gebruik in lessen

Voorbeeld 1: het zoeken naar de beste stroomlijnvorm voor zuiniger auto’s. In Les 6.30-P maken de leerlingen een automodel van kneedgum of was op een houten vulmodel. Het vulmodel maakt dat alle gemaakte modellen dezelfde minimale dwarsdoorsnede (frontale oppervlakte) hebben. Deze oppervlakte is een belangrijke factor in het ontstaan van de weerstand van een auto. De modellen kunnen alleen goed worden vergeleken als ze slechts verschillen in één aspect: de vorm en stroomlijn. De andere factoren als frontale oppervlakte en windsnelheid worden gelijk gehouden. Om het effect het duidelijkst te meten wordt de windsnelheid maximaal gezet. Leerlingen krijgen aan het begin een paar houten modellen die duidelijk verschillen. Rond voor, rond achter, rechthoekig, een model met een flinke deuk aan één kant etc. Daardoor krijgen ze al een goed idee wat de beste vorm kan zijn. Iedereen krijgt een vulmodel. Een paar adviezen zijn goed: maak het model symmetrisch, maak het zo glad mogelijk en maak het niet hoger en breder dan het vulmodel, want dat maakt het meteen minder ‘zuinig’. Na een poging wordt gemeten. Het model gaat in de meetplaats. Het model wordt voorzichtig op een stangetje gestoken dat rechtstreeks op de drijver is gemonteerd. De tunnel wordt vervolgens op volle kracht aangezet en als het model tot rust gekomen is wordt de weerstand afgelezen op de veerunster. Neem daarvoor een gevoelig unster. De gemeten krachten liggen in de orde van 0,1 N. Bij de windtunnel ligt een omrekentabel waarop leerlingen kunnen zien welk cijfer hoort bij het gemeten resultaat. Vanaf het eerste moment is het proces: verbeteren, meten, evalueren en weer verbeteren. Bij de evaluatie hoort ook een gelegitimeerde vorm van bedrijfsspionage, die we in dit geval graag ‘samenwerkend leren’ noemen. Kijken waarom je klasgenoot een zoveel beter resultaat heeft gemeten werkt heel effectief. Op zichzelf is het ook aardig om andersom te werken: ga uit van een heel mooi glad model en breng daar verstoringen op aan. Denk aan buitenspiegels, een dakrail, bagage op het dak, een spoiler achterop. De kinderen staan versteld van de relatief grote invloed van dit soort dingen op de weerstand.


5 van 13

Voorbeeld 2: het zoeken naar de beste vorm voor bladen van een windturbine (windmolen). In Les 8.88-P maken en testen leerlingen een model van een windturbinerotor in het kader van duurzame energie. De leerlingen leren weer door doen. Het doen kun je meer of minder uitgebreid organiseren. De meest uitgebreide vorm is het ontwerpen en maken van een compleet model van een windgenerator. Zeker in de onderbouw is het effectiever om je te concentreren op specifieke onderdelen, bijvoorbeeld: • Welke vorm van de rotorbladen geeft een optimaal rendement in de energieomzetting van wind (lineaire beweging) naar rotoras (rotatie)? • Hoe beïnvloeden de bladen elkaar? Wat is de invloed van het aantal bladen per rotor? Waarom zie je eigenlijk geen moderne grote windgeneratoren met meer dan 3 bladen? • Wat is het effect van de breedte en de lengte van het blad? • Hoe moet je de instelling van de bladen veranderen als de windsterkte afneemt of toeneemt? Voor de boven genoemde onderzoeken maken de leerlingen een rotor die op een testopstelling wordt gemonteerd. Deze testopstelling bestaat uit een mast, een generator en een rotorbevestiging. De rotor kan gemaakt worden van PVC-pijp, een leeg colablikje, hout, blik. Je kunt het meest veranderen en bijstellen aan een rotor van blik, zoals afgebeeld. Leerlingen maken meestal een rotor met twee of vier bladen. De laatste bestaat uit een tweetal bladen die dwars en plat op elkaar worden gesoldeerd. Aan het eind van het productieproces worden de bladen gevormd en gesteld.

Voorbeeld 3: Welke TWIK werkt het beste? In Les 8.89 van thema 8 (Energie) wordt een TWIK gemaakt. Een Tegen-de-Wind-In-Kar. Het is een model dat demonstreert dat je meer energie uit de wind kunt halen dan nodig is om de eigen weerstand te overwinnen. Het leukste voor de leerlingen is om een wedstrijd op een pleintje buiten in de wind te houden. Maar je moet maar net zo’n gelegenheid hebben en er moet maar net genoeg wind staan. Daarbij wordt het al heel moeilijk als je moet meten en vergelijken op verschillende dagen en onder ongelijke omstandigheden. In dit geval is de windtunnel een goede windmaker die iedereen gelijke kansen biedt. De metingen komen neer op de tijd die de TWIK nodig heeft om een baan van bijvoorbeeld 1 meter lang af te leggen achter de windtunnel. De windsnelheid is zo laag mogelijk. De metingen zijn dan nauwkeuriger en de weerstand van de TWIK is niet te hoog. Dit betekent dat de bladen van de rotor anders zijn gevormd, geschikt voor lage windsnelheden. Zie voor de details het volgende hoofdstuk: Achtergrondkennis en tips.

6

van

13


Voorbeeld 4: testen van vleugelprofielen Vooral geschikt voor onderzoeken in de bovenbouw van het VO. Voor de metingen van de liftkracht van vleugels moet met een balans worden gewerkt. Het ontwerpen en maken ven het meetinstrument zelf is ook een goede opdracht. Op een of andere manier moet de vleugel in de tunnel worden ‘opgehangen’ dat de liftkracht kan worden gemeten en afgelezen. De liftkracht kan afhankelijk van de snelheid en de invalshoek worden gemeten. Ingewikkelder en met deze tunnel niet erg betrouwbaar zijn metingen van beide: lift en weerstand. Meer details in het volgende hoofdstuk.

Voorbeeld 5: onderzoeken van windgedrag om gebouwen De wind om gebouwen kan kwalitatief worden nagebootst door een model (vast) in de tunnel te plaatsen en te voorzien van ‘tell tales’ (verklikkerstrookjes) in de vorm van draadjes. De draadjes geven de richting van de luchtstroom aan. Globaal zeggen ze soms ook iets van de verschillen in snelheden om zo’n gebouw. De metingen kunnen bij verschillende windsnelheden worden gedaan. Het beeld van de stroming zoals dat door de draadjes wordt weergegeven, kan goed worden vastgelegd op (digitale) foto’s.

Achtergrondkennis en tips

Activiteit 1: het zoeken naar de beste stroomlijnvorm voor zuiniger auto’s. Een zuinige auto gebruikt weinig brandstof. Maar alles is relatief. Het brandstofverbruik hangt af van: • de vorm (de stroomlijn) • de snelheid • het gewicht (het optrekken kost extra brandstof) • de gladheid van het oppervlak • de grootte (met name het frontaal oppervlak) • de rolweerstand (banden, wegdek). In de windtunnel meten we alleen de luchtweerstand W. Die is afhankelijk van de luchtdichtheid ρ, de snelheid V, het frontaal oppervlak A en de vormweerstandscoëfficiënt cw volgens de formule

W = cw.½ ρ V2.A Omdat de weerstand kwadratisch toeneemt met de snelheid is het verminderen van de snelheid het beste middel om het brandstofverbruik te verminderen. De cw en de A komen lineair voor in de formule en dragen dus evenveel bij. Een gladde en gestroomlijnde vorm is dus belangrijk. Ook is het voordeliger voor het brandstofverbruik om smalle en lange auto’s te maken in plaats van brede en hoge. Bij de metingen bepaal je eerst welke grootheid je gaat meten en verbeteren. De andere factoren moeten dan gelijk zijn voor alle modellen. Zo is onderdeel van les 6.30 dat leerlingen proberen de cw -waarde van het model zo laag mogelijk te krijgen. Wil je de onderlinge resultaten kunnen vergelijken en de individuele prestaties kunnen relateren aan een objectieve maat (wat is een 8 waard?), dan moet je: 1. het model in alle stadia van bewerking even hoog en breed maken (de frontale oppervlakte moet gelijk blijven) en 2. alle modellen altijd diezelfde oppervlakte hebben (werk dus altijd met dezelfde ‘vulmodellen’) en 3. steeds meten bij dezelfde windsnelheid (volle kracht).


7 van 13

De vormweerstand wordt beter door: • het oppervlak gladder te maken • de lucht zo gelijkmatig mogelijk om de auto heen te leiden. De druppelvorm is aerodynamisch de beste. Dik en rond van voren, naar achteren uitlopend in een punt. Zeker bij de relatief lage snelheden van auto’s. Bij snelheden boven de 800 km/u gaan andere factoren meespelen! Weerstand wordt vooral opgebouwd door wervelingen aan de achterkant. Daarom is het belangrijk om de lucht daar ‘zo netjes mogelijk af te leveren’ aan de omgeving. In het verleden zag je modellen die de druppelvorm goed benaderden. Het vermogen van de motor was klein. In de toekomst zul je die vorm ook terugzien, vanwege het lage brandstofverbruik. Het zijn vaak zogenaamde concept cars, die gemaakt zijn om te testen. In de praktijk kleven er ook nadelen aan zo’n vorm. Achterin heb je weinig ruimte voor passagiers en bagage. En om veiligheidsredenen heb je daar ook liever niet een benzinetank zitten. Maar voor een caravan is het zeker een optie!

Er zijn storingen die de luchtstroom in de tunnel niet helemaal gladjes, horizontaal en zonder wervelingen laten doorstromen. Vlak na de ventilator zitten daarom geleidingsschotjes in de tunnel. Maar toch: • Er zit een meetdraad en dergelijke in de tunnel, die een storing veroorzaakt. • De wanden van de tunnel remmen de luchtstroom ook af. Het model mag daarom nooit in die grenslaag zitten. • Het model zelf zorgt voor een verstoring. De lucht moet ter plaatse van de het model door een vernauwing en gaat daardoor harder stromen. Om dit effect niet te groot te laten worden, moet de doorsnede van het model klein blijven ten opzichte van die van de tunnel.

Activiteit 2: het maken en testen van de rotor van een windturbine. De opbrengst van de turbine wordt gemeten in Volt (hoogte van de spanning) of Watt (afgegeven vermogen= Volt x Amperes) Het zal – zeker in de onderbouw – vooral neerkomen op vergelijken. Wie heeft de beste rotor gemaakt? Wat presteert mijn rotor in vergelijking tot een voorbeeldrotor (van het docententeam)? In dit soort metingen is het belangrijk dat alle andere factoren constant worden gehouden. • De tunnelwindsnelheid is dezelfde. • Bij alle metingen zorg je dat er geen obstakels (handen, lichamen, voorwerpen) achter de opstelling zit. • De rotor staat altijd even ver achter de tunnelopening. • Gelijke conditie van de generator (die slijt namelijk) • Gebruik dezelfde multimeter. • Gebruik dezelfde rotordiameter. Een paar van bovengenoemde zaken behoeven enige toelichting. • Eigenlijk is niet alleen de snelheid maar ook de luchtdruk van belang. Het gaat namelijk om de massa van de lucht die per seconde door de tunnelopening naar buiten stroomt. In de praktijk heeft het alleen maar zin om hiervoor te compenseren als resultaten van rotoren (en dus leerlingen) van verschillende momenten (bijvoorbeeld weken uit elkaar) eerlijk moeten worden vergeleken.

8 •

• •

•

•

van

13


Iemand die achter de opstelling staat, hindert de luchtstroom wel degelijk! Probeer het maar eens uit. Zolang de luchtsnelheid veel lager is dan de geluidssnelheid (ca 1200 km/u) ‘merkt’ de lucht wat er verderop gebeurt en wordt in dit geval dus al vertraagd voor hij bij de rotor is. Het spreekt vanzelf dat er ook niets tussen de tunnel en de rotor mag staan of bewegen. De luchtstroom waaiert achter de tunnel uit en vermengt zich met de omringende lucht. Daarom moet er op een vaste afstand achter de tunnel gemeten worden. Vlak achter de tunnel heeft weinig zin, tenzij de afmeting van de rotor duidelijk kleiner is dan de tunnelbreedte. De conditie van de generator wordt gecontroleerd met een vaste ijkrotor. De fietsdynamo die dienst doet als generator kan slijten en meer weerstand gaan geven. Ook als aanvullende elektronica wordt gebruikt, bijvoorbeeld om een ‘cijfer’ direct af te kunnen lezen, moet je er op verdacht zijn dat er iets stuk kan gaan. Grotere rotoren met langere bladen kunnen gedeeltelijk buiten de luchtstroom van de tunnel komen te draaien. Die stukken leveren niets op, maar kosten energie. Deze omstandigheid geldt alleen bij een laboratoriumopstelling met een windtunnel of een andere ‘windmaker’ van beperkte omvang. In werkelijkheid is het juist gunstiger om slanke en lange bladen te hebben. Aërodynamisch hebben deze bladen – net als lange en smalle vleugels bij vliegtuigen – een hoger rendement. Waarom hebben onze windmolens dan niet veel langere bladen? Omdat het technisch minder aantrekkelijk is. Ze worden te slap en te zwak.

De vorm van de bladen is uiterst belangrijk voor het rendement. Een blad buigt de wind af door de ronding. Deze ronding breng je aan door de strook blik rond te kloppen over een ronde staaf of buis. Hoe ronder het profiel, hoe meer de luchtstroom wordt afgebogen. Dat is een voordeel. Maar tegelijkertijd wordt de weerstand ook groter en die belemmert de snelheid weer waarmee de rotor ronddraait. Er zijn dus twee tegengestelde effecten. De kunst is het vinden van de optimale verhouding tussen afbuiging (geeft kracht) en snelheid. In het algemeen geldt dat je een vlak profiel nodig hebt bij veel wind – de rotor kan dan een hoge snelheid krijgen – en een hol profiel bij weinig wind – de rotor gaat toch niet hard en dan kun je er het beste meer kracht uithalen. Bij een blad dat stilstaat komt de lucht (wind) recht van voren. Zodra de rotor gaat draaien maakt hij ook een ‘eigen’ wind. Die komt in het rotorvlak van opzij. Het rotorblad voelt dus niet de werkelijke wind van de windtunnel, maar een zogenaamde schijnbare wind die de resultante is van de werkelijke wind en de eigen wind. Dit effect is bij de tip anders dan bij de as van de rotor. Immers, de tip vliegt bij het ronddraaien veel sneller door de lucht dan de as.


9 van 13

Het gevolg is heel belangrijk voor een goed gemaakte rotor: de richting waarin de voorkant van het blad wijst (dat is de richting waarin het de lucht voel komen) is bij de as dus anders dan bij de tip. In vaktermen heet dat: de instelhoek is bij tip kleiner dan bij de as. Na het rondmaken van een blad moet het dus worden gesteld. Daarbij moet het blad zo worden gewrongen dat de voorkant overal in de richting van de schijnbare wind staat. Zonder deze wrong werkt het blad op één plaats na dus niet efficiënt. Dat wisten de molenbouwers van vroeger ook al. Het is duidelijk dat een van de belangrijkste en leerzaamste activiteiten van de leerlingen is: het stellen van de rotorbladen. Door telkens een beetje meer of minder te buigen worden de optimale instelhoeken en de wrong verkregen. De meter toont elke keer of de laatste wijziging een verbetering was of niet. Tips: • Laat elke meting met een viltstift op de rotor schrijven. Dan kun je het verloop van het ‘trial and error’ proces goed volgen. • De rotor moet goed in balans zijn. Knip te lange bladen een stukje af. Onbalans doet de rotor trillen en minder hard gaan. • Zorg voor een meetopstelling zonder onbalans. • De rotor kan heel goed tussen twee wieltjes van een constructiebouwdoos worden geklemd. De rotors kunnen zo snel worden verwisseld: je hoeft maar één schroefje los te maken. Zorg er wel voor dat de schroefjes van de twee wielen in tegenovergestelde richting staan voor de balans. Hoe meer bladen hoe meer energie? Een rotor met zes bladen gaat niet drie keer zo snel als een rotor met twee bladen, maar minder. Dat komt doordat de bladen elkaar beïnvloeden. Elk blad ‘pakt’ een hoeveelheid lucht en haalt er als het ware de energie uit. Daarna is de fut eruit en stroomt ‘vertraagd’ verder naar achteren. Als er nu snel een volgend blad komt, is de kans groot dat het niet in de verse lucht komt, maar gedeeltelijk in de uitgewerkte lucht van het vorige blad. De instelhoek zal dan niet meer kloppen en bovendien is de energie minder. Vandaar dat je geen grote windmolens tegenkomt met meer dan drie bladen.

10

van

13


Activiteit 3: windmaker voor TWIK’s. Een TWIK is een Tegen de Wind In Kar. Een model rijdt met behulp van een windrotor tegen de wind in. Een rotor zoals de rotor van de windgenerator wordt gemaakt en getest. In dit geval wordt er veel meer constructiewerk gedaan. Het gaat hier niet direct om het testen van een rotor, dat is iets voor bij activiteit 2. Een TWIK kan niet veel wind hebben, dan wordt de weerstand zo groot dat hij teruggeblazen wordt of omvergeblazen. Het gaat hier dus om lage windsnelheden. De rotor zet hierbij rechtlijnige windenergie om in roterende kinetische (=bewegings)energie op de rotoras. In het algemeen zal de rotorsnelheid hoger zijn dan de omwentelingssnelheid van de wielen van de TWIK. Dat betekent dat er nog een vertragende overbrenging nodig is tussen de assen. Een snaaroverbrenging is zelf te maken. U kunt ook toestaan dat er een overbrenging uit een bouwdoos wordt gebruikt, zoals een wormoverbrenging. De rotor moet geschikt gemaakt worden voor lage windsnelheden. Ook de rotatiesnelheid van de aandrijfas wordt daardoor niet zo groot. Het is dus zaak veel kracht uit de rotor te halen. • In de eerste plaats moet de instelhoek van de bladen groter zijn dan bij de windgenerator. Omdat de eigen wind veel kleiner is komt de schijnbare wind veel meer van voren. • Ten tweede kan de ronding van de bladen worden vergroot. Hierbij moet er wel worden geëxperimenteerd: een te grote ronding geeft weer veel weerstand, waardoor de winst van een grotere kracht weer teniet wordt gedaan. In verband met de TWIK-voortstuwing kan een aardig onderzoek met de windtunnel worden opgezet: welke rotor of eigenlijk bladvorm is optimaal bij lage snelheden? Nu wordt een kale rotor met een ‘gebruiker’ eraan achter de windtunnel geplaatst. De snelheid wordt vanaf nul langzaam opgevoerd. Lees af bij welke windsnelheid gaat draaien. Daarna draai je de windsnelheid weer langzaam terug totdat de rotor weer stopt. Het gemiddelde (je kunt ook de som nemen) van beide windsnelheden is de startwindsnelheid van de rotor. De beste rotor is heel geschikt voor weinig wind. Afhankelijk van waar de rotor voor nodig is kan een ‘gebruiker’ aan de rotor worden gekoppeld, die hem afremt. Soms is de generator van de windturbine een prima gebruiker, ook kan bijvoorbeeld een elastiekje als rem over de as worden gespannen. Voor echte test- ’runs’ met een TWIK is een baan handig die de TWIK stuurt. Zo blijft hij recht achter de windtunnel en rijdt tegen de wind in naar de opening van de tunnel toe. Je hebt daarbij het probleem dat de windsnelheid toeneemt naarmate de TWIK dichterbij de tunnel komt. Eigenlijk is het dus maar de vraag of de instelling van de bladen overal bij dat ritje optimaal is. Zowel de eigen wind als de werkelijke wind veranderen namelijk. Bovendien bestaat de werkelijke wind uit de windsnelheid van de tunnel en de tegenwind die de TWIK zelf maakt doordat hij rijdt.


11 van 13

De meting zelf bestaat uit het registreren van de tijd die de TWIK erover doet om een zekere afstand over de baan (bijvoorbeeld 1 m) af te leggen. Om eerlijke metingen te krijgen waarbij verschillende TWIKs onderling kunnen worden vergeleken moet je ervoor zorgen dat: • de condities van de baan gelijk blijven – de baan mag niet verschuiven ten opzichte van de tunnel en altijd recht achter de tunnel liggen. • de TWIKs niet van de baan af kunnen lopen of tegen baanrandjes vastlopen. • de windsnelheid zo laag mogelijk is, maar wel groot genoeg om de TWIKs aan het eind van de baan op gang te krijgen.

Activiteit 4: het testen van vleugelprofielen. Vleugelprofielen leveren een verticale kracht. Daarnaast levert een profiel natuurlijk ook weerstand zoals ieder ander voorwerp in een luchtstroom. De kracht omhoog gebruik je voor een vliegtuig om hem van de grond te tillen en in de lucht te houden. Bij een snelle auto gebruik je een omgekeerde vleugel om hem juist tegen de grond gedrukt te houden (‘downforce’). In de aerodynamica (luchtstromingsleer) geldt de Wet van Bernouilli. Die zegt dat de luchtdruk lager wordt naarmate lucht sneller stroomt. En een snellere stroming krijg je als de lucht door een nauwere ruimte stroomt. Je ziet dat aan de bovenkant van een vleugel. Op deze manier wordt de liftkracht die eigenlijk wordt opgewekt in de luchtstroom, overgebracht op de vleugel zelf. In een windtunnel wordt de vleugel zo geplaatst dat hij omhoog en omlaag kan bewegen, maar niet teveel. Natuurlijk moet er een balanskracht zijn die de vleugel tegenhoudt. Bij een bepaalde snelheid krijgt de vleugel dan een bijbehorende uitslag en komt in een evenwicht. De uitslag omhoog is een maat voor de liftkracht. Bij het meten geldt ook weer dat je goed moet opletten wat je meet. In het geval van de liftkracht is dat de kracht L die afhankelijk is van de vorm van de vleugeldoorsnede cL, de luchtdichtheid ρ , de snelheid V en de oppervlakte van de vleugel A: L = cL.½ ρ V2.A De vorm van de vleugel is, om de weerstand klein te houden, druppelvormig. Rond aan de voorkant en spits aan de achterkant. De lift is sterk afhankelijk van de snelheid. Bij hoge snelheid kun je toe met een veel kleiner vleugeloppervlak, dat dan ook veel minder weerstand geeft. Daarom probeer je een vleugel altijd zo klein mogelijk te maken. Bij lage snelheden (start en landing) kun je de vleugel vergroten met kleppen die worden uitgeschoven. De metingen in de windtunnel hebben geen betrekking op de luchtdichtheid of de A. Meestal worden metingen gedaan om te zien hoe je de cL kunt veranderen. Daarin spelen een rol: de dikte van het profiel (in verhouding tot de lengte) de welving van het profiel (vergelijkbaar met de ronding van de bladen van het windturbinemodel) de invalshoek α. In het algemeen geldt dat de liftkracht groter wordt naarmate: • de invalshoek α groter wordt • de krommingswaarde (Eng: camber) groter wordt • de dikte toeneemt.

12

van

13


Dit gaat echter alleen op voor bescheiden waarden. Zodra de invalshoek te groot wordt, kan de stroming de kromming van de vleugel niet meer volgen en ‘laat los’. De vleugel heet dan ‘overtrokken’. Bij een overtrokken vleugel valt de lift vrijwel weg. Alleen een grote weerstand blijft over: het vliegtuig valt. Zo hebben een grote dikte en een grote kromming als nadeel: een grote weerstand. Eigenlijk wordt alleen een grotere kromming gebruikt bij lage snelheden: de vleugelkleppen (flaps) worden niet alleen uitgeschoven maar ook neergedraaid voor de start en landing. Juist dan is een hoge liftkracht nodig bij lage snelheid en blijft de weerstand binnen de perken. Turbulentie is het wervelen van de wind door verstoringen. In het algemeen geeft een mooie ongestoorde vrije stroming (laminaire stroming) een beter resultaat. Er gaat tenslotte ook energie zitten in de turbulentie van de lucht en die is dan niet meer beschikbaar voor lift. Daarom doen we er veel moeite voor om de binnenkant van de windtunnel glad en zonder verstoringen te maken. Hetzelfde geldt voor de buitenkant van auto’s en vliegtuigen. Toch is er onder bepaalde omstandigheden wel nuttig gebruik te maken van een beetje turbulentie. Een turbulente stroming is stabieler en laat minder gauw los van een krom oppervlak. Soms maak je een grenslaag lucht om die reden turbulent, op een gecontroleerde manier. Je doet dat vóór het punt waarop de stroming zal loslaten. Op die manier kun je het loslaatpunt naar achteren verschuiven en dat scheelt weer een hoop weerstand. Dit kunstje heeft men bij vliegtuigvleugels uitgevonden, maar later ook toegepast bij kabels die in de wind te sterk trilden. Het meest bekende voorbeeld is dat van het ‘stripje’ op schaatspakken. Schaatspakken zijn zelf zo glad dat de stroming veel langer laminair blijft. Maar aan de achterkant van hoofd, romp en benen laat hij toch ergens los, met als gevolg een groot ‘zog’ en veel weerstand. Het stripje maakt de grenslaag turbulent, het loslaatpunt gaat naar achteren en de schaatser ondervindt minder weerstand. Dat maakte nu juist het verschil uit tussen winst en verlies.

Activiteit 5: het bekijken van de windstroming om gebouwen. Dit gebeurt normaal om twee redenen: • om te controleren dat er niet te grote krachten op de constructie van het gebouw zelf optreden. • om te zien of de omgeving niet teveel hinder zal ondervinden van de wind om het gebouw heen. Het eerste effect treedt nogal eens op rond hoeken en dakranden. Niet voor niets vliegen daken van huizen af bij zware storm. De dakrand wordt dan vaak als eerste los gezogen, waarna de wind eronder komt en het dak verder wordt ‘gelift’. Het tweede effect wordt veroorzaakt door de omgeving. Iedereen weet uit ervaring dat het flink harder waait tussen twee flats in. Die ruimte wordt letterlijk een windtunnel! Dit effect wordt veroorzaakt door de vernauwing. Doordat lucht zich zo goed als onsamendrukbaar gedraagt (althans bij deze snelheden) moet eenzelfde hoeveelheid lucht door een smallere opening. Dat kan alleen maar als hij sneller stroomt. Dit noem je ook wel het Venturi-effect. Waar vleugels voor de liftkracht juist gebruik maken van de zuigkracht van het Venturi-effect, wil je dat bij een dak op een gebouw juist voorkomen. Bij scherpe randen krijg je plaatselijk soms hoge snelheden met lage drukken. Die lage druk zuigt de constructie kapot. Daarom wordt dit bij gebouwen grondig gecontroleerd.


13 van 13

Bronnen en verwijzingen

1 H. Tennekes, De Wetten van de Vliegkunst, Haarlem Aramith, 1999, 152 p. ISBN 90-6834-095-6. Een goed begrijpelijk boek over vliegen, waarin veel aspecten met formules worden onderbouwd. 2 http://www.gmecca.com/byorc/dtipsaerodynamics.html#Spoilers Aerodynamica, spoilers van formule-1 wagens etc. 3 http://users.telenet.be/aerodynamica/ Inleiding in de aerodynamica van allerlei verschijnselen. 4 http://www.howstuffworks.com/ : Engelstalige site met veel begrijpelijke uitleg, ook over vliegen, vliegtuigen en vleugels. 5 http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/FoilSim/index.html : Op deze NASA-website (Java-applet!) kun je zelf een vleugelvorm ontwerpen die kan tillen. Je kunt het programmaatje ook downloaden als zip-bestand en op computers zonder internet gebruiken. Lees wel de instructies. 6 Op de downloadsite http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/freesoftware_page.htm staat ook een simulatiemodel voor vliegers (kites, geen pilots). Een andere aardige toepassing is ook de aërodynamica van een honkbal (geldt ook voor voetballen!). Hoe maak je een 'banana-shot'? 7 http://www.dnw.aero/ Een website met informatie over onder ander de windtunnels van het Nederlandse NLR.

Bijbehorende lessen van Techniek NexT 6.30-P Maak je auto zuiniger of sneller 8.88-P Test je windturbinerotor 8.89-P Maak en test je KWIK

We verwachten dat er op termijn ook lessen beschikbaar komen over het onderzoeken van de stroming om gebouwen en het testen van vleugelprofielen.

Versie 1.1. Windtunnel gebruiken

Recommend Documents