Hoe groter de luchtweerstand, hoe meer energie nodig is om vooruit te komen. Dat geldt niet alleen voor een ritje op de fiets, maar voor alle manieren van transport. Ook voor vliegen dus. En omdat deze energie uit brandstof komt, is het op weg naar schonere luchtvaart dus zaak de luchtweerstand zo beperkt mogelijk te houden, legt Marios Kotsonis uit. "Je kunt luchtweerstand beïnvloeden door invloed uit te oefenen op de luchtstromen rond een vliegtuig. En dat is precies wat we doen in ons Flow Control-team dat bestaat uit MSc-studenten, promovendi en postdocs. We bestuderen hoe luchtstromingen zich gedragen en hoe je ze kunt beheersen."

Rustige en chaotische stromingen

Luchtstromingen zijn grofweg te verdelen in twee categorieën, vertelt Kotsonis. Je hebt laminaire stroming en turbulente stroming. Op het moment dat een stroming het toestel raakt, bijvoorbeeld op de neus of vleugels, is die altijd laminair. Een laminaire stroming beweegt zich heel rustig en ‘smooth’ over het oppervlak. Hierdoor is er nauwelijks wrijving en is de weerstand dus laag. Maar op een bepaald moment wordt deze stroming turbulent. Deze overgang wordt ook wel de transitie genoemd. Een turbulente stroming is heel chaotisch en kent veel fluctuaties, waardoor de luchtweerstand enorm toeneemt. De overgang van laminair naar turbulent wil je dus zo lang mogelijk uitstellen.”

Oneffenheden beïnvloeden overgang

Een grote uitdaging bij het zo lang mogelijk laminair laten zijn van een stroming is dat een pijlvleugel uit verschillende panelen bestaat, vertelt Rius Vidales. “Deze panelen zijn aan elkaar bevestigd met schroeven. Daarnaast ontstaan bij de verbindingen tussen de panelen kleine verhogingen op de vleugel, zogeheten steps. Al deze oneffenheden beïnvloeden de overgang van laminair naar turbulent. Hoe minder egaal het oppervlak, hoe eerder de transitie plaatsvindt.” Ruwheid is niet altijd slecht. Een andere bekende ontdekking van de TU Delft uit de jaren 90 zijn zigzagstroken, die gebruikt worden op zweefvliegtuigen en schaatsers om de overgang te versnellen en turbulente stroming te versterken. In deze gevallen wil men meer turbulente stroming om ongewenste stromingsafscheiding te voorkomen die de drukweerstand verhoogt en de lift verlaagt.

Voor vleugels van grote vliegtuigen op kruishoogte wil je echter zoveel mogelijk laminaire stroming en daarvoor moet je de ruwheid op de vleugel minimaliseren. Tijdens de windtunneltests van de groep ontdekten ze echter dat dit niet altijd het geval is.

Bij toeval een baanbrekende ontdekking

Dit onderzoek gebeurt onder meer aan de hand van windtunneltesten. Bij zo’n test deed Rius Vidales in 2019, destijds nog als PhD’er, een even verrassende als baanbrekende ontdekking. “We waren eigenlijk bezig met het onderzoeken van nadelige effecten van forward-facing steps op de pijlvleugel. De verwachting was dat deze steps de transitie van laminair naar turbulent zouden versnellen. Maar tot mijn grote verbazing zag ik dat deze steps onder bepaalde omstandigheden de transitie niet versnelden, maar juist vertraagden. Dat was heel contra-intuïtief. Ik kon dan ook niet geloven wat ik zag.”

Hele wetenschappelijke proces in de war

Maar herhaling van de windtunneltest, wiskundige berekeningen en simulaties stelden hetzelfde effect vast. Kotsonis: “Pas toen daalde het besef in dat we iets heel bijzonders hadden ontdekt. Het was allemaal heel verwarrend, want dit is het omgekeerde van hoe wetenschap normaal gesproken werkt. Meestal observeer je iets, maak je een hypothese en ga je testen of die hypothese klopt. Maar nu constateerden we iets dat totaal niet in lijn lag met wat we verwachtten, maar wel een doorbraak betekende. Hierdoor moesten we ons hele plan aanpassen. Dat was nog best een uitdaging.”

Ontwikkeling van de Laminar Hump

De bevindingen waren de aanzet voor vervolgonderzoek naar de forward-facing step die de overgang naar de turbulente stroming uitstelde. Kotsonis: “We zijn met berekeningen en experimenten gaan kijken hoe we dit effect nog verder konden vergroten. Uiteindelijk zijn we uitgekomen op een manier waarmee we de step gladder konden maken en iets konden verlengen. Dit hebben we de Delft Laminar Hump (DeLaH) genoemd. Vanwege het baanbrekende karakter en de eenvoud hebben we het gepatenteerd.”

Een echte teamprestatie

Volgens Rius Vidales was de ontwikkeling van de DeLaH een echte teamprestatie van alle onderzoekers in de groep van Kotsonis. Over het algemeen wezen experimenten, berekeningen en computersimulaties van de onderzoeksgroep allemaal op dezelfde innovatieve resultaten. Het fundamentele werkingsprincipe van de Hump is echter nog grotendeels onbekend. Kotsonis: "We weten dat het onder bepaalde omstandigheden werkt, maar niet precies waarom. Dit begrijpen is de volgende belangrijke fase in ons onderzoek."

Werkt het ook in de praktijk?

De belangrijkste vraag die de onderzoekers nog moeten beantwoorden is of de DeLaH ook werkt onder praktijkomstandigheden. Rius Vidales: “We hebben nu alleen getest op kleine schaal. Dat is belangrijk om te weten dát het werkt, maar we willen ook weten of onze hypotheses en theorieën standhouden als de Hump straks op een echte vleugel zit. In windtunneltests onder omstandigheden die dichter bij echte vluchten liggen, zullen we onderzoeken hoe we DeLaH moeten ontwerpen - en of het werkt - in de praktijk."

Marktonderzoek met partners uit industrie

Onlangs ontving de onderzoeksgroep de European Research Council Proof-of-Concept grant. Kotsonis was blij met het nieuws: "Hun steun heeft ons een stap dichter bij de markt gebracht. Een deel van de financiering zal worden gebruikt voor marktonderzoek om uit te vinden of onze technologie compatibel is met de plannen en activiteiten van vliegtuigfabrikanten en -maatschappijen. De gesprekken die we voeren met industriële partners zoals Airbus en KLM zullen ons helpen om te beslissen waar we ons op moeten richten als we verder gaan. Natuurlijk willen zij ook graag weten hoe zij hiervan kunnen profiteren, vooral als het gaat om brandstofbesparing." De groep heeft ook een start-up voucher ontvangen van de TU Delft Aerospace Innovation Hub om hen op weg te helpen naar een start-up bedrijf.

In potentie enorme energiewinst

Met wat grove berekeningen laat Kotsonis zien hoe veelbelovend de DeLaH op dat gebied kan zijn. “Stel dat je de helft van een pijlvleugel laminair kunt maken, dan levert dat een brandstofbesparing op van 15 procent. Om dat in perspectief te plaatsen: bij elke nieuwe generatie vliegtoestellen verbetert het brandstofverbruik met 2 tot 3 procent. Hiervoor zijn allerlei verbeteringen nodig, zoals in de motor en aerodynamica. Maar één relatief eenvoudige aanpassing kan dus mogelijk een vele malen grotere winst opleveren.”

Nieuw ontwerp vleugel of aanpassing op bestaand type

Of voor de Laminar Hump alleen een aanpassing op bestaande vleugels nodig is of dat het een heel nieuw ontwerp vereist, vindt Rius Vidales lastig te zeggen. “Ook dat moeten we nog verder onderzoeken. In de modellen die we gebruiken bij experimenten hebben we de Hump achteraf ingebouwd. Het grote voordeel is dat je de Hump niet hoeft aan te sturen en daar dus ook geen energie voor nodig hebt. Het is alleen een aanpassing in de vorm van de vleugel.”

Grip krijgen op iets (haast) ongrijpbaars

Zowel Kotsonis als Rius Vidales vinden het mooi om met het onderzoek naar laminaire stroming een bijdrage te kunnen leveren aan verduurzaming van de luchtvaart. Kotsonis: “Wat me vooral aanspreekt aan het onderzoeksgebied Flow Control is het krijgen van grip op iets waarover we weinig controle hebben. In het dagelijks leven voelen we constant luchtstromingen om ons heen. Maar daar kunnen we weinig aan doen. Bij een vliegtuig hebben we die invloed dus wel, al is het maar een klein beetje. En juist dat maakt dit onderzoek zo ontzettend mooi en opwindend.”