TU/e opent turbulente windtunnel

Ik zit op mijn knieën en steek mijn hoofd in een groot donker gat. Een beetje gedesoriënteerd kijk ik om me heen. Rechts is niets te zien, pikkedonker, links de contouren van vier ventilatoren waardoor een vaag schijnsel valt. Als ik mijn hoofd uit de stalen behuizing trek, kijk ik weer naar de buitenkant van de Atmospheric Boundary Layer Wind Tunnel. Het is de nieuwste windtunnel van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e).

Bert Blocken staat naast me. Hij is professor bouwfysica van de TU/e en laat me vandaag het nieuwste laboratorium op de campus van de universiteit zien. De ventilatoren die ik net zag, gaan straks tegen zijn proefopstellingen aanblazen. “We hebben hier 220.000 watt blaasvermogen, dat is best veel. Deze ventilatoren zitten ook in grote klimaatbeheersingssystemen”, zegt hij. Toch gaat het hier niet om hárd blazen: de topsnelheid is zo’n 120 km/h, net orkaankracht. Deze windtunnel blinkt vooral uit in het nabootsen van een ietwat onrustige luchtstroming. Precies wat er gebeurt in de onderste lagen van de aardatmosfeer, waar gebouwen, bergen en bomen de nette stroming doorbreken.

In een storm heb je rukwinden, maar ook op een rustige dag komt de wind in vlagen. De lucht zit vol chaos en turbulentie, waardoor de wind soms even stilvalt en daarna snel aantrekt. Wil je weten hoe de lucht om een nieuwe torenflat gaat stromen, dan moet je rekening houden met het ruige karakter van de atmosfeer. Dat gebeurt in deze windtunnel – op schaal natuurlijk. Maar door het forse formaat is de tunnel ook geschikt voor het meten van de luchtstromen rondom wielrenners, schaatsers of nieuwe wagens op zonne-energie.

Speelgoed

Iets verderop staat een tafel met een bonte verzameling speelgoed. Ik zie een model van een jacht, een vrachtwagen en een wielrenner. Ook is er een maquette van het centrum van Eindhoven. Blocken verzekert me dat hier niet wordt gespeeld. De meeste modellen zijn door een speciaal bedrijf gemaakt dat ervoor zorgt dat allerlei details kloppen. Op het dek van de jacht zie ik kleine zithoekjes met kleine tafeltjes en een zonneschermpje.

“In onze windtunnel kun je twee verschillende soorten onderzoek onderscheiden”, zegt Blocken. “We kijken hoe stoffen zich verspreiden in een omgeving en we onderzoeken de krachten die een stroming uitoefent op de omgeving.” Verspreidingsmodellen zijn van belang als het gaat om bijvoorbeeld uitlaatgassen die in een stad blijven hangen. “En met dit modeljacht kun je uitzoeken of de toekomstige eigenaar in dat zithoekje niet in zijn eigen uitlaatgassen zit”, zegt Blocken.

Onderzoek aan krachten van stromingen is relevant bij (hoge) gebouwen en bij sporters (zie kader Treintje in de tunnel). Bij hoge gebouwen draait het niet alleen om de krachten op de gebouwen, maar ook op de directe omgeving. Een bekend fenomeen rondom hoogbouw is de harde wind. “Een groot deel van de wind tegen een groot gebouw wordt naar beneden afgebogen en komt op straatniveau uit”, zegt Blocken. “Je wil niet dat het de mensen daar van hun fiets blaast. Als het gebouw al is gebouwd, ben je te laat, daarom doen ontwikkelaars nu vaak eerst een windstudie.”

Juist bij het testen van gebouwen is die realistische ‘ruige’ stroming belangrijk. Om die te maken en te controleren wordt de turbulentie in stroming (inclusief draaiing van de ventilatoren) eerst helemaal verwijderd. De luchtstroming gaat door een groot honingraatrooster en door enkele fijnmazige gazen, zodat er een perfect gladde stroming ontstaat. Die gaat er meteen weer aan in de windtunnel, waar over een afstand van twaalf meter (controleerbare) turbulentie wordt gemaakt door de plaatsing van obstakels zoals kubussen.

Wind meten

Momenteel wordt er geklust in en rond het gebouw van de windtunnel. Buiten leggen bouwvakkers de laatste hand aan het splinternieuwe onderkomen, binnen treffen technici de voorbereidingen voor een test en fotoshoot met een handbiker. Volgens Blocken duurt de opbouw van een windtunnelexperiment soms dagen, waarbij het model en de meetapparatuur worden geïnstalleerd. Het windtunnel-experiment zelf kan in een paar minuten al voorbij zijn.

De onderzoekers hebben verschillende methodes om het gedrag van de wind tijdens zo’n test te meten. Het meest bekende is misschien wel het ‘rookspoor’, waarbij er dun straaltje rook in de stroming wordt geïnjecteerd. Dat beweegt dan met de wind langs het model. Hiermee maak je de stroming mooi zichtbaar, maar volgens Blocken is het niet geschikt voor precisie-metingen. Daarom staat er voor de ramen van de windtunnel een apparaat met twee grote lasers op beweegbare armen.

Het lasersysteem volgt minuscule oliedruppeltjes, minder dan 0,1 millimeter groot, die in de windtunnel worden geïnjecteerd. Door lasers op een bepaalde plek te richten, bepaalt het systeem de stroming, de snelheid en de richting van de lucht. Het idee is dat de lasers een gebied in de tunnel stukje voor stukje scannen en zo een volledig windprofiel bepalen. Het model (ook in het geval van een treintje wielrenners) beweegt in die tijd niet.

Een andere gebruikte methode is het meten van concentraties van bepaalde stoffen in de stroming, zoals methaan. De onderzoekers injecteren dat op een bepaald punt in een maquette en meten op andere plekken via buisjes die steeds een beetje lucht opzuigen. Dit is vooral nuttig voor het testen van verspreidingsmodellen. Tot slot laat Blocken wat hij zelf noemt ‘horizontale weegschalen’ aan me zien. Apparaten die de kracht bepalen die bijvoorbeeld wielrenners ervaren bij tegenwind.

Sommige aspecten van een luchtstroom zijn nog steeds lastig te simuleren in een computer. Blocken noemt de eigenschappen zoals de ruwheid van de kleiding van een wielrenner. “Er ontstaat een grenslaagje van lucht die als het ware aan zo’n pak plakt”, zegt hij. “Die laag is slechts 0,2 millimeter dik. Wil je dat goed simuleren in een computer dan moet je een model maken waarin je de stroming in tientallen miljoenen ‘cellen’ simuleert. De simulatie wordt erg zwaar en duurt lang. Het accuraat doorrekenen van een wielrenner duurt dan al snel een hele dag. Dezelfde informatie hebben wij in onze windtunnel binnen enkele minuten boven water.”