211service.com
Valinspirerade vindkraftverk
Havsforskare har länge misstänkt att knölvalars otroliga smidighet kommer från stötarna på framkanterna av deras simfötter. Nu har forskare från Harvard University kommit fram till en matematisk modell som hjälper till att förklara denna hydrodynamiska kant. Arbetet ger teoretisk tyngd åt en växande mängd empiriska bevis för att liknande gupp kan leda till mer stabila flygplanskonstruktioner, ubåtar med större smidighet och turbinblad som kan fånga upp mer energi från vind och vatten.
Inspiration: Gupparna på framkanten av knölvalens flipper ger den en hydrodynamisk fördel. Forskare upptäcker att liknande gupp kan göra vindkraftverk, fläktblad och flygplansvingar mer effektiva.
Vi blev förvånade över att vi kunde replikera många av fynden från vindtunnlar och vattentunnlar med relativt enkel teori, säger Ernst van Nierop , en doktorand vid School of Engineering and Applied Sciences vid Harvard. Han skrev studien tillsammans med matematikprofessorn Michael Brenner och forskaren Silas Alben.
Fördelen med knölvalsflippern verkar vara anfallsvinkeln den är kapabel till - vinkeln mellan vattenflödet och flipperns yta. När anfallsvinkeln för en valflipper – eller en flygplansvinge – blir för brant, blir resultatet något som kallas stall. Inom flyget betyder stall att det inte finns tillräckligt med luft som strömmar över vingens övre yta. Detta orsakar en kombination av ökat motstånd och förlorat lyft, en potentiellt farlig situation som kan resultera i en plötslig höjdförlust. Tidigare experiment har dock visat att anfallsvinkeln för en knölvalsflipper kan vara upp till 40 procent brantare än för en slät flipper innan stopp inträffar.
I en papper nyligen publicerad i Fysiska granskningsbrev och markeras i journalen Natur , visade Harvard-forskargruppen att knölarna på puckelryggsvampen, känd som tuberkler, ändrar tryckfördelningen på flippern så att vissa delar av den stannar före andra. Eftersom olika delar av flippern stannar i olika anfallsvinklar är det lättare att undvika abrupt stall. Denna effekt ger också valen mer frihet att attackera i högre vinklar och förmågan att bättre förutsäga dess hydrodynamiska begränsningar.
Forskarna fann också att amplituden på gupparna spelar en större roll än antalet gupp längs en flippers framkant. Tanken är att du kan göra ett flygplan som är mycket svårare att stoppa och lättare att kontrollera, säger van Nierop. Till exempel kan stridsflygplan utformas för att vara mer akrobatiska utan risk för kraschar orsakade av stall. I vattnet kunde marinubåtar göras piggare.
Harvard-forskningen validerar de första kontrollerade vindtunneltesterna av modellflipper, utförda för fem år sedan vid US Naval Academy, i Annapolis, MD, där det visades att stopp som vanligtvis inträffar i en 12-graders attackvinkel fördröjs tills vinkeln når 18 grader. I dessa tester minskade luftmotståndet med 32 procent och lyftet förbättrades med 8 procent.
Den forskningen var detaljerad i en 2004 studie i samarbete med West Chester University och Duke University. Detta [Harvard-arbete] visar i grunden att teori och empiriska mätningar ligger nära varandra, och lägger större vikt till vårt ursprungliga påstående om tuberklernas funktion, säger Frank Fish, biologiprofessor vid West Chester och huvudförfattare till den ursprungliga studien.
Redan nu görs försök att införliva tuberkeldesignen i kommersiella produkter. Fish är ordförande för ett företag baserat i Toronto, Ontario, kallad WhalePower , som har börjat visa fördelarna med tuberkler när de är integrerade i framkanterna av vindkraftverk och fläktblad.
Prototyper av vindkraftverksblad (se bild nedan) har visat att det fördröjda stallandet fördubblar turbinernas prestanda vid vindhastigheter på cirka 17 miles per timme och gör att turbinen kan fånga mer energi från vindar med lägre hastighet. Till exempel genererar turbinerna samma mängd kraft vid 10 miles per timme som konventionella turbiner genererar vid 17 miles per timme. Knölarna kanaliserar effektivt luftflödet över bladen och skapar virvlande virvlar som förbättrar lyftet.
WhalePower, baserat i Toronto, Ontario, testar detta vindturbinblad vid en vindtestanläggning på Prince Edward Island. Gupparna, eller tuberklerna, på bladets framkant minskar buller, ökar dess stabilitet och gör det möjligt för den att fånga mer energi från vinden.
Kredit: WhalePower
Stephen Dewar, chef för forskning och utveckling på WhalePower, säger det pågående tester vid Wind Energy Institute of Canada, i provinsen Prince Edward Island, har visat att de tuberkelfodrade bladen är mer stabila, tysta och hållbara än konventionella blad. Turbinen har överlevt att bli träffad av kanten av en orkan, och den överlevde vinddriven snö och is, säger han.
WhalePower har också visat i demonstrationer att tuberkelfodrade blad på industriella takfläktar kan fungera 20 procent mer effektivt än vad konventionella blad kan, och de gör ett bättre jobb med att cirkulera luftflödet i en byggnad. Resultaten var tillräckligt dramatiska för att övertyga Kanadas största tillverkare av ventilationsfläktar att licensiera designen, som kommer att dyka upp i en ny produktlinje som är planerad att släppas i slutet av april.
Det här licensavtalet med fläktföretaget är jättebra, säger Fish. Det visar i princip en av många potentiella tillämpningar för denna teknik. Föreningen av biologi och ingenjörskonst genom biomimetik kommer att göra framtida innovationer möjliga.
Harvardstudien kommer till samma slutsats. Det är möjligt att lärdomarna från knölvalsflipper snart kommer att hitta vägen till designen av specialvingar, bärplansbåtar, såväl som vindkraftverk och helikopterblad.