De winst van de wind
Lees meer- Onderzoek
- 18/01/2018
De winst van de wind
Wielrenners, windmolens, flatgebouwen, olietankers en zonneparken: in de nieuwe windtunnel van de faculteit Bouwkunde kun je de aerodynamische eigenschappen testen. Met name wielrenners en schaatsers – en in hun kielzog cameraploegen - staan in de rij voor deze unieke atmosferische grenslaagtunnel, geesteskind van aerodynamica-expert en wielerfanaat Bert Blocken.
De werkkamer van Bert Blocken, hoogleraar Bouwfysica en aerodynamica-expert, is volgestouwd met schaalmodellen van gebouwen, wielrenners, bouwtekeningen van windtunnels en aanverwante attributen. Op de grond, naast een rondslingerende laptop, staat een doos vol met miniatuurwielrenners, overgebleven van de officiële opening van ‘zijn’ windtunnel op 14 december. De sympathieke Vlaming is een druk man, en de afgelopen maanden was hij drukker dan ooit. Al was het maar vanwege alle media-aandacht die hij te verstouwen kreeg rond de oplevering van de nieuwe windtunnel. “Ik loop inmiddels hopeloos achter met mijn gewone werk, maar ik ben natuurlijk erg blij dat de tunnel nu al zo veel positieve publiciteit heeft opgeleverd.”
Die gigantische ringvormige windtunnel, met een meetgedeelte van maar liefst 27 meter lang, is verstopt in een nieuw gebouw dat afgelopen jaar is verrezen aan de zuidoostkant van de TU/e-campus: Ventur. Het gevaarte, een zogeheten atmosferische grenslaagtunnel, bootst de luchtstroom nabij het aardoppervlak na, en kan worden gebruikt om het effect van wind te meten op relatief grote schaalmodellen van (bijna) stilstaande objecten, zoals gebouwen, schepen of boorplatforms. Door de unieke lengte van de testsectie, en de doorsnede van drie bij twee meter, is de tunnel daarnaast uitermate geschikt om bijvoorbeeld modellen van rijen windmolens door te meten, of een treintje van echte wielrenners.
Ter gelegenheid van de opening van de nieuwe windtunnel is dit prachtig vormgegeven filmpje gemaakt, waarin de diverse mogelijkheden van deze atmosferische grenslaagtunnel de revue passeren.
Publiciteit
Vooral dat de nieuwe tunnel interessant is voor wielrenners, is niet onopgemerkt gebleven. Al eind november, voor de officiële opening, kwam een afvaardiging van de Nederlandse wielerploeg Lotto-Jumbo langs voor de eerste metingen. Een reportage over dit bezoek haalde enkele dagen later het NOS-achtuurjournaal. Ook wetenschapsprogramma De Kennis van NU reisde af naar Eindhoven om te filmen, en omroep MAX maakte een item voor hun programma Hallo Nederland. Daarnaast moest Blocken diverse radiozenders te woord staan, en uiteraard de geschreven media, waaronder de Volkskrant.
Eigenlijk heb ik louter positieve ervaringen met de media, maar toch houd ik soms mijn hart vast
“Ik vind het leuk om met de media te praten, maar het levert wel stress op", zegt Blocken. "Ten eerste moet ik natuurlijk alles goed verwoorden, en daarna houd ik nog mijn hart vast of alles correct wordt gecommuniceerd. De Kennis van NU had bijvoorbeeld in eerste instantie op de website gemeld dat het om de grootste windtunnel van Nederland ging, terwijl het slechts de langste is van dit type. Maar op zich heb ik louter goede ervaringen met de media. Als je de Kennis van NU mailt over zo’n fout, dan is dat binnen een paar minuten gecorrigeerd.”
Wielrennen
De combinatie wielrennen, windtunnels en Blocken is om meerdere redenen een gelukkige. Ten eerste is de Vlaming een uitgesproken wielerenthousiast, en was hij in zijn jongere jaren een verdienstelijk amateurrenner. Zijn studies van de aerodynamica van wielrenners, zowel in de windtunnel als met computersimulaties, zijn dan ook als hobby begonnen, buiten zijn reguliere onderzoek om.
De afgelopen jaren bleek juist voor zijn bevindingen rond de wielersport de interesse vanuit de media onveranderd groot. De hoogleraar speelt daar slim op in, door zijn nieuwste resultaten – over de daalhouding van toprenner Froome, het effect van volgauto’s in tijdritten en het feit dat het aerodynamisch gunstig is om een renner in je wiel te hebben, bijvoorbeeld – precies in de aanloop van de grote wielerrondes te publiceren.
De media weten hem daardoor nu te vinden – zo mocht hij al eens aanschuiven bij de Vlaamse televisie als avondgast tijdens de Tour de France, en kwam in de afgelopen Nationale Wetenschapsquiz zelfs één van de vragen uit de koker van Blocken: een motor die naast een renner rijdt, heeft een remmende werking op de fietser, zo luidde het juiste antwoord.
Precisie
Inmiddels is het wieleronderzoek het hobbyisme ruimschoots ontstegen. Sterker nog: sportploegen vormen een belangrijke potentiële inkomstenbron voor de nieuwe windtunnel. De investering van 1,35 miljoen euro (inclusief meetapparatuur, maar exclusief gebouw Ventur) moet namelijk worden terugverdiend door de tunnel een deel van de tijd open te stellen voor contractonderzoek.
“De grote ploegen, zoals Lotto-Jumbo, hebben een fors budget voor onderzoek”, zegt Blocken. “Dat is niet voor de grap: elke procent meer of minder luchtweerstand kan het verschil betekenen tussen winst en verlies. Een dergelijke precisie kunnen wij met deze tunnel nu bieden; we zijn in staat de windkracht op een paperclip te meten.” Dan spreken we volgens hem over krachten van minder dan een honderdste Newton, vergelijkbaar met een gram op een weegschaal.
“Voor onderzoek naar windkracht op gebouwen is een dergelijke nauwkeurigheid overbodig. Voor de zekerheid worden bij het ontwerp namelijk ruime veiligheidsmarges in acht genomen. Dan is het zinloos om te streven naar een nauwkeurigheid van een procent. Maar binnen de sport heb je die precisie dus juist wel nodig.”
Meten met schaatsers op echt ijs, dat moet kunnen in onze windtunnel
Hoe serieus het onderzoek naar aerodynamica en de mogelijkheden van de Eindhovense grenslaagtunnel wordt genomen in de sportwereld, blijkt wel uit het feit dat ook de schaatstak van Lotto-Jumbo (de ploeg van onder meer Sven Kramer en Kjeld Nuis) er bij Blocken op heeft aangedrongen nog voor de Olympische Winterspelen met bewegende schaatsers in de tunnel te kunnen testen.
“Ik heb ze moeten teleurstellen; daar zijn we helaas nog niet klaar voor. Om echt iets zinnigs te kunnen concluderen, moeten we ook nog camera’s installeren waarmee we de bewegingen van de schaatsers kunnen volgen aan de hand van markers op de schaatspakken. Maar voor de toekomst zie ik dat wel zitten.” De ploeg heeft zelf een kunststofvloer die in de tunnel kan worden aangebracht, legt Blocken uit. “Maar écht ijs is waarschijnlijk nog een stuk realistischer; ook dat moet volgens mij kunnen in onze tunnel”, zegt hij met een grijns.
Handbike
Eén van de sporters die voor de officiële opening langs mag komen in de windtunnel, is de Nederlandse wereldkampioen handbiken Tim de Vries. In zijn voorbereiding op de Paralympische Spelen van 2020 in Tokyo, laat hij zich – onder het toeziend oog van de camera’s van omroep MAX en sportfotograaf Paul Raats – begin december blootstellen aan windsnelheden van rond de veertig kilometer per uur.
De Vries lijkt in zijn element: doodstil zit hij, dubbelgevouwen over het stuur van zijn handbike, het voorhoofd bijna tegen het voorwiel, kin tegen de ketting. Een geluid als van een opstijgend vliegtuig zwelt aan: “11,5”, roept hoofdtechnicus Jan Diepens van bij de bedieningskast. Dat zullen de meters per seconde zijn, waarin de windsnelheid in de tunnel wordt uitgedrukt. Bert Blocken zit achter een provisorisch bureautje, met een computer, laptop en een soort mengpaneel. Hij gebruikt een microfoon om met De Vries in de tunnel te communiceren. Die test daar verschillende helmen, pakken met lange en korte mouwen, wielen en houdingen.
Hinkend op één been – zijn linkeronderbeen verloor hij na een ongeluk bij trampolinespringen – klimt De Vries toch relatief soepel via een keukentrappetje in en uit de meetruimte. Bij het omkleden is duidelijk te zien dat hij eerder het lichaam heeft van een turner dan een wielrenner, met zijn gespierde bovenlijf.
Je merkt dat Bert echt verstand heeft van wielrennen
De weg naar Rio voor handbiker Tim de Vries
Een impressie van de voorbereidingen van Tim de Vries voor zijn deelname aan de Paralympics in Rio in 2016.
Na afloop van de tests vertelt De Vries te genieten van alle aandacht van de media. “Dat zijn we in het handbiken niet gewend. Maar het is vooral geweldig dat ik hier in de tunnel mag zitten met de professor ernaast, en dat ik meteen feedback krijg. Ik kon tijdens de test ook mijn luchtweerstand op een scherm zien, zodat ik direct mijn houding kan aanpassen.” Voor komend seizoen weet hij welke kleding, helm en wielen hij moet kiezen, vertelt hij, maar Blocken heeft al beloofd dat hij later terug mag komen.
“Dan zouden we met een rollerbank kunnen meten, zodat ik ook echt kan fietsen. Dat maakt het natuurlijk nog realistischer. Je merkt dat Bert echt verstand heeft van wielrennen, en dat hij het zelf veel heeft gedaan. Ik heb ook tips gekregen voor het ontwerp van een nieuwe handbike. Ik vind het mooi dat ze overal voor openstaan, en niet terugdeinzen voor een handbiker in de windtunnel.”
Vier commercieel verkrijgbare ventilatoren zorgen voor windsnelheden in de tunnel tot 33 meter per seconde, vergelijkbaar met windkracht 12, en verbruiken daarbij samen ongeveer 240 kilowatt. In feite is de windtunnel een soort ringvormige versneller, waarin de lucht bij elke rondgang verder wordt opgestuwd door de ventilatoren. Dat maakt hem een stuk zuiniger dan een lineaire tunnel.
Voordat de versnelde lucht het meetgedeelte inkomt, wordt een zo uniform mogelijk windprofiel gecreëerd door een vijftal roosters met toenemende fijnmazigheid. Hierdoor worden wervelingen als het ware uit de luchtstroom gefilterd, met een turbulentie van minder dan 0,2% als gevolg. Het eerste deel van de testsectie is daardoor tevens bruikbaar als aeronautische windtunnel.
Behalve voor het meten van de windkracht op schaalmodellen, wordt de tunnel ook gebruikt om de luchtstroming in beeld te brengen. Dit gebeurt door rook toe te voegen, en het pad van de rookdeeltjes te volgen. Hiervoor is zowel de zijwand als het plafond van de meetruimte voorzien van glas. Daarnaast kan ook de bodem van de verschillende modules worden vervangen door een glasplaat, om zo metingen van onderen mogelijk te maken met laserlicht.
Geschiedenis
Een compleet nieuwe onderzoeksfaciliteit die zo groot is dat het zijn eigen gebouw nodig heeft, is er niet van de ene dag op de andere. De plannen voor een atmosferische grenslaagtunnel bestonden bij Bert Blocken dan ook al bijna tien jaar. Hij is in 2006 aan de TU/e gekomen als universitair docent, vertelt hij, met als oorspronkelijke doel om terug te keren naar zijn alma mater in Leuven zodra daar voor hem een positie vrij zou komen. “Maar het beviel mij hier boven verwachting goed, en al na enkele jaren werd ik hier bevorderd tot universitair hoofddocent. Op het moment dat ik besloot hier te blijven, ben ik gaan nadenken over een eigen atmosferische grenslaagtunnel voor de faculteit Bouwkunde, in aanvulling op de bestaande aeronautische tunnel van Technische Natuurkunde in gebouw Cascade.”
Op dat moment waren er slechts drie windtunnels van dat type in Nederland: één van ingenieursbureau Peutz in Molenhoek bij Nijmegen, één van Duits-Nederlandse Windtunnels in de Noordoostpolder, en één van TNO in Apeldoorn. “Vergelijk dat met het aantal aeronautische windtunnels, waarin een uniform windprofiel wordt opgewekt. Daarvan zijn er veel meer. Ter illustratie: bij het Belgische Von Karman Instituut hebben ze een kleine dertig windtunnels, waarvan slechts één atmosferische grenslaagtunnel.”
De onderdelen van de windtunnel van TNO gingen op de schroothoop. Toen heb ik gevraagd of ik drie vrachtwagens langs mocht sturen.
Schroothoop
De tunnel van TNO was al oud, vertelt de hoogleraar, en bovendien geen gesloten lus. “Dat betekent dat er lucht van buiten werd aangezogen, waardoor het onmogelijk was om de temperatuur en luchtvochtigheid te reguleren.” Na een mislukte poging van TNO om samen met academische partners, waaronder de TU/e, een NWO-subsidie voor een nieuwe grenslaagtunnel te verkrijgen, besloot TNO volgens Blocken om de tunnel in Apeldoorn af te breken. “Toen heb ik TNO direct gebeld, om te vragen wat ze met de onderdelen zouden doen. Die gingen op de schroothoop, zeiden ze. Ik heb vervolgens gevraagd of ik drie vrachtwagens langs mocht sturen om de spullen op te halen, en dat was goed.”
Zo bezat de TU/e plotseling een gedemonteerde windtunnel, inclusief meetapparatuur en hulponderdelen. “Een deel daarvan was nog zeer goed te gebruiken, waaronder nauwkeurige balansen om krachten mee te meten.” Zonde om niets mee te doen, natuurlijk. “Zo rond die periode had de faculteit Bouwkunde juist van het College van Bestuur opdracht gekregen om veel meer in te zetten op onderzoek”, aldus Blocken.
“Op dat moment viel alles op zijn plek. Door het wegvallen van de faciliteit in Apeldoorn was er grote behoefte aan een tunnel van dit type in Nederland en wij hadden de componenten al liggen.” Als klap op de vuurpijl verzorgde de Vlaming in 2014 de eerste Massive Open Online Course (MOOC) van de TU/e, over aerodynamica. “Die trok veel meer deelnemers, maar liefst 24.000, dan verwacht. Dat was voor zowel de faculteit als de universiteit een bewijs dat mijn vakgebied zeer geschikt is om je mee te profileren.”
Locatie
Na het groene licht van het College van Bestuur en het faculteitsbestuur was de eerste horde genomen. Er zouden er echter nog enkele volgen. De geplande locatie bij gebouw Vertigo, pal naast het onderkomen van Bouwkunde, bleek door de onverwacht snelle groei van de universiteit toch niet opportuun. “Daar moesten parkeerplekken komen, en wellicht een parkeergarage. Of in de toekomst zelfs een extra collegezaal. We hebben nog even gekeken of we de tunnel konden inbouwen in een parkeergarage, maar kwamen tot de conclusie dat die integratie te duur was en de trillingen van de auto’s de metingen bovendien te veel zouden verstoren.”
Toch maar aan de rand van de campus dus, als het aan Blocken lag in een simpele stalen loods. Maar daar ging de TU/e-kwaliteitscommissie voor liggen. Een dergelijk onderkomen voor de windtunnel zou afbreuk doen aan het aanzien van de campus. “Op zich begrijpelijk, de campus is toch een visitekaartje van de universiteit, maar dat betekende wel dat het gebouw veel duurder uitviel dan begroot. Het is daardoor zelfs nog even spannend geweest of het wel door kon gaan.” Afstel zou uitermate wrang geweest zijn, te meer daar voor de windtunnel zelf een zeer scherpe prijs bedongen was.
“We zijn in zee gegaan met Windtunnel24, een familiebedrijf uit het noordoosten van Duitsland. Zij hadden nog geen ervaring met tunnels van deze grootte, en wilden graag bewijzen dat ze het aankonden. Daardoor hebben ze het heel goedkoop gedaan - de concurrentie vroeg een veelvoud. Een risico, maar het heeft goed uitgepakt; het is een sympathieke club die uitstekend werk heeft geleverd. En voor hen is het natuurlijk perfect dat er hier zo veel aandacht voor de tunnel is vanuit de media. We hebben alle tv-beelden naar ze opgestuurd, zodat zij daar mee kunnen pronken.”
Niet alleen voor windenergie is aerodynamica belangrijk, maar ook voor zonne-energie!
Zonneparken
Nu de eerste publiciteitsstorm is gaan liggen, is het tijd voor Blocken en zijn collega’s om de puntjes op de i te zetten. Om nieuwe meetapparatuur te installeren en te testen, en metingen te doen om hun eigen computermodellen te checken. Daarnaast zullen ze commerciële partijen verwelkomen om ze te informeren over alle mogelijkheden van de atmosferische grenslaagtunnel. En dat zijn er veel, benadrukt de expert: “Mensen onderschatten vaak wat er allemaal niet in windtunnels wordt getest. Dat zijn niet alleen windturbines en wielrenners. We kunnen hier ook kijken naar luchtverontreiniging, bijvoorbeeld in verband met de inlaatkanalen van ventilatiesystemen, en we doen veel onderzoek naar windhinder rond gebouwen, zoals de vele nieuwe hoogbouw die er nog in Eindhoven gepland staat."
En wellicht verrassend: ook het testen van parken met zonnepanelen op gevoeligheid voor stormschade is een belangrijke tak van sport binnen de aerodynamica. "Door de uitgestrektheid van die velden met panelen ontstaan grote windsnelheden en turbulentie zorgt voor een zuigende werking. Dus niet alleen voor windenergie is aerodynamica belangrijk, maar ook voor zonne-energie!”
Hoofdfoto | Paul Raats
Discussie