Turbiny wiatrowe inspirowane wielorybami

Naukowcy morscy od dawna podejrzewali, że niesamowita zwinność humbaków wynika z wybrzuszeń na krawędziach natarcia ich płetw. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Harvarda opracowali model matematyczny, który pomaga wyjaśnić tę hydrodynamiczną krawędź. Prace nadają teoretyczną wagę rosnącej liczbie dowodów empirycznych, że podobne nierówności mogą prowadzić do bardziej stabilnych konstrukcji samolotów, łodzi podwodnych o większej zwinności oraz łopat turbin, które mogą wychwytywać więcej energii z wiatru i wody.

Inspiracja: Guzki na krawędzi natarcia płetwy humbaka dają mu przewagę hydrodynamiczną. Naukowcy odkrywają, że podobne nierówności mogą zwiększyć wydajność turbin wiatrowych, łopatek wentylatorów i skrzydeł samolotu.

Byliśmy zaskoczeni, że byliśmy w stanie odtworzyć wiele odkryć pochodzących z tuneli aerodynamicznych i tuneli wodnych przy użyciu stosunkowo prostej teorii, mówi Ernst van Nierop , doktorant w School of Engineering and Applied Sciences na Harvardzie. Był współautorem badania z profesorem matematyki Michaelem Brennerem i badaczem Silasem Albenem.

Zaletą płetwy humbaka wydaje się być kąt ataku, do którego jest zdolny – kąt między przepływem wody a twarzą płetwy. Kiedy kąt natarcia płetwy wieloryba – lub skrzydła samolotu – staje się zbyt stromy, rezultatem jest coś, co nazywa się przeciągnięciem. W lotnictwie przeciągnięcie oznacza, że ​​nad górną powierzchnią skrzydła przepływa zbyt mało powietrza. Powoduje to połączenie zwiększonego oporu i utraty siły nośnej, potencjalnie niebezpiecznej sytuacji, która może skutkować nagłą utratą wysokości. Wcześniejsze eksperymenty wykazały jednak, że kąt natarcia płetwy humbaka może być nawet o 40 procent bardziej stromy niż w przypadku gładkiej płetwy przed przeciągnięciem.

W papier niedawno opublikowany w Fizyczne listy kontrolne i wyróżnione w czasopiśmie Natura , zespół badawczy z Harvardu wykazał, że guzki na płetwie garbatej, zwane guzkami, zmieniają rozkład nacisku na płetwę tak, że niektóre jej części zatrzymują się przed innymi. Ponieważ różne części płetwy przeciągają się pod różnymi kątami natarcia, łatwiej jest uniknąć nagłego przeciągnięcia. Efekt ten daje również wielorybowi większą swobodę w ataku pod większymi kątami i lepsze przewidywanie ograniczeń hydrodynamicznych.

Naukowcy odkryli również, że amplituda wypukłości odgrywa większą rolę niż liczba wypukłości wzdłuż przedniej krawędzi płetwy. Pomysł polega na tym, że można stworzyć samolot, który jest znacznie trudniejszy do przeciągnięcia i łatwiejszy do kontrolowania, mówi van Nierop. Na przykład myśliwce mogłyby być zaprojektowane tak, aby były bardziej akrobatyczne, bez ryzyka zderzeń spowodowanych przeciągnięciem. W wodzie okręty podwodne marynarki wojennej mogłyby być bardziej zwinne.

Badania Harvarda potwierdzają pierwsze testy płetw modelowych w tunelu aerodynamicznym, przeprowadzone pięć lat temu w Akademii Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w Annapolis, MD, gdzie wykazano, że przeciągnięcie występujące zwykle przy kącie natarcia 12 stopni jest opóźnione do kąt sięga 18 stopni. W tych testach opór został zmniejszony o 32 procent, a siła nośna poprawiona o 8 procent.

Badania te zostały szczegółowo opisane w badanie 2004 we współpracy z West Chester University i Duke University. Ta [praca z Harvardu] zasadniczo pokazuje, że teoria i pomiary empiryczne są zbliżone i dodaje większą wagę naszemu pierwotnemu twierdzeniu o funkcji guzków, mówi Frank Fish, profesor biologii w West Chester i główny autor oryginalnego badania.

Już teraz podejmowane są próby włączenia projektu guzka do produktów komercyjnych. Fish jest prezesem przedsiębiorstwa z siedzibą w Toronto, Ontario, zwanego Wieloryb Moc , który zaczął demonstrować zalety guzków, gdy są one zintegrowane z przednimi krawędziami turbin wiatrowych i łopatek wentylatora.

Prototypy łopat turbin wiatrowych (patrz rysunek poniżej) wykazały, że opóźnione przeciągnięcie podwaja wydajność turbin przy prędkości wiatru około 27 mil na godzinę i pozwala turbinie wychwytywać więcej energii z wiatrów o mniejszej prędkości. Na przykład turbiny generują taką samą ilość energii przy prędkości 10 mil na godzinę, jak turbiny konwencjonalne przy prędkości 17 mil na godzinę. Guzki skutecznie kierują przepływ powietrza przez łopatki i tworzą wirujące wiry, które zwiększają siłę nośną.

WhalePower, z siedzibą w Toronto, Ontario, testuje tę łopatę turbiny wiatrowej w ośrodku testów wiatrowych na Wyspie Księcia Edwarda. Guzki lub guzki na krawędzi natarcia ostrza zmniejszają hałas, zwiększają jego stabilność i umożliwiają wychwytywanie większej ilości energii wiatru.
Źródło: WhalePower

Stephen Dewar, dyrektor ds. badań i rozwoju w WhalePower, mówi, że trwające testy w Instytucie Energii Wiatrowej w Kanadzie, w prowincji Wyspa Księcia Edwarda, wykazali, że ostrza pokryte gruźlicą są bardziej stabilne, ciche i trwałe niż ostrza konwencjonalne. Turbina przetrwała uderzenie krawędzią huraganu i przetrwała niesiony wiatrem śnieg i lód, mówi.

WhalePower wykazał również podczas demonstracji, że pokryte gruźlicą łopatki przemysłowych wentylatorów sufitowych mogą działać o 20 procent wydajniej niż konwencjonalne łopaty i lepiej radzą sobie z cyrkulacją powietrza w budynku. Wyniki były na tyle dramatyczne, że przekonały największego kanadyjskiego producenta wentylatorów wentylacyjnych do udzielenia licencji na projekt, który pojawi się w nowej linii produktów, której premiera zaplanowana jest na koniec kwietnia.

Ta umowa licencyjna z firmą fanów jest świetna, mówi Fish. Pokazuje w zasadzie jedno z wielu potencjalnych zastosowań tej technologii. Połączenie biologii i inżynierii poprzez biomimetykę umożliwi przyszłe innowacje.

Badanie na Harvardzie dochodzi do tego samego wniosku. Niewykluczone, że wnioski wyciągnięte z płetw humbaków wkrótce znajdą zastosowanie w projektowaniu skrzydeł specjalnego przeznaczenia, wodolotów, a także łopat turbin wiatrowych i helikopterów.

ukryć