Het raadsel van wapperende vlaggen

Delta 4, 24 jan 2008, wetenschap over onderzoek dr. Fulvio Scarano

Het raadsel van wapperende vlaggen

Anderhalf miljoen euro krijgt dr. Fulvio Scarano bij L&R voor zijn onderzoek naar afbeeldingen van luchtstromingen. De Europese onderzoeksraad ERC hoopt daarmee stillere vliegtuigen en helikopters te realiseren.

Het raadsel van wapperende vlaggen

Als je ‘s nachts met de auto door een sneeuwbui rijdt, zie je hoe de sneeuwvlokken, net voordat ze de voorruit raken, omhoog schieten en over het dak vliegen. Als je hard genoeg gaat, kan de ruitenwisser uit. In de achteruitkijkspiegel zie je de sneeuwvlokken chaotisch door elkaar kolken. Het is één van de weinige situaties waarin je werkelijk kunt zien hoe lucht beweegt.

In het laboratorium voor aerodynamica aan de Kluyverweg heeft een team onder leiding van dr. Fulvio Scarano een opstelling gebouwd waarmee luchtstromen in beeld gebracht kunnen worden met ongeëvenaarde scherpte en snelheden. De methode heet tomografische PIV, waarbij PIV staat voor Particle Image Velocimetry (snelheidsmeting van deeltjes aan de hand van beelden). ‘Tomografie’ is een aan de ziekenhuiswereld ontleende term, die betekent dat je een volume opdeelt in plakjes.

Hier geen sneeuw door de windtunnel, en ook geen koplampen. In plaats daarvan gebruikt de onderzoeker een soort theaterrook (een tot tien deeltjes van een duizendste millimeter groot per kubieke millimeter), snelle gepulste lasers en minimaal twee snelle camera’s die ongeveer vijfduizend opnamen per seconde maken van de rook in een ruimte ter grootte van een Blackberry.

Op zijn laptop laat Scarano wat resultaten zien van metingen aan de luchtstroom achter een cilinder. “Je kunt de luchtstromingen werkelijk zien! Dit is een compleet nieuw onderzoeksveld. We kunnen nu voor het eerst zien hoe ingewikkeld de wervelingen zijn van de lucht die een vlag doen wapperen en klapperen in de wind.”

Technisch is de opstelling een hoogstandje, en wetenschappelijk heel interessant. Maar daar krijg je niet snel anderhalf miljoen euro voor. Wat de meetopstelling voor de Europese onderzoeksraad interessant maakt, is de koppeling tussen luchtstromingen en geluid. Scarano beeldt met zijn handen uit hoe de lucht over een vleugel stroomt en hoe daarbij wervelingen ontstaan. Die veroorzaken trillingen die je waarneemt als gesis, geruis en gebrom. Wie precies weet hoe de lucht stroomt, kan een bijdrage leveren aan stillere vliegtuigen of helikopterbladen. Een andere oorzaak van geluid is het geweld achter een straalmotor, waar het samenvloeien van snelle en trage luchtstromen tot wervels leidt, en tot een donderend geraas. Een beter begrip van die luchtstromingen kan leiden tot stillere motoren.

De opstelling is prachtig en veelbelovend, maar ook hemeltergend traag. Om uit duizend plaatjes te reconstrueren hoe de luchtdeeltjes bewogen hebben, heeft een computer met acht processors maar liefst drie weken de tijd nodig.

Tot en met 2012 wil Scarano met twee postdocs en een promovendus werken aan een snellere verwerking van de video-opnamen. Hij hoopt dat het tienduizend keer sneller kan. Verder wil hij het onderzoeksvolume van twintig kubieke centimeter vergroten, maar dat hangt voornamelijk van de beschikbare lichtbron af.

De luchtstroming achter een vlaggenmast. Vectoren tonen de richting en grootte van de luchtsnelheid. Rood is het snelst, blauw het langzaamst. (Foto: Dr.F. Scarano, L&R)

++

Zie ook website TU