Hval-inspirerede vindmøller

Havforskere har længe haft mistanke om, at pukkelhvalers utrolige smidighed kommer fra bumpene på forkanterne af deres svømmefødder. Nu har forskere fra Harvard University fundet en matematisk model, der hjælper med at forklare denne hydrodynamiske kant. Værket giver teoretisk vægt til en voksende mængde empiriske beviser for, at lignende bump kan føre til mere stabile flydesign, ubåde med større smidighed og turbinevinger, der kan fange mere energi fra vind og vand.

Inspiration: Bumpene på forkanten af ​​pukkelhvalens flipper giver den en hydrodynamisk fordel. Forskere opdager, at lignende bump kan gøre vindmøller, ventilatorvinger og flyvinger mere effektive.

Vi var overraskede over, at vi var i stand til at replikere en masse af de fund, der kom ud af vindtunneller og vandtunneler ved hjælp af relativt simpel teori, siger Ernst van Nierop , en ph.d.-kandidat ved School of Engineering and Applied Sciences ved Harvard. Han forfattede studiet sammen med matematikprofessor Michael Brenner og forskeren Silas Alben.

Fordelen ved pukkelhvalflipperen ser ud til at være den angrebsvinkel, den er i stand til - vinklen mellem vandstrømmen og flipperens overflade. Når angrebsvinklen for en hvalflipper – eller en flyvinge – bliver for stejl, er resultatet noget, der kaldes stall. I luftfart betyder stall, at der ikke flyder nok luft over vingens øverste overflade. Dette forårsager en kombination af øget modstand og tabt løft, en potentielt farlig situation, der kan resultere i et pludseligt højdetab. Tidligere eksperimenter har dog vist, at angrebsvinklen for en pukkelhvalflipper kan være op til 40 procent stejlere end den for en glat flipper, før stalden opstår.

I en papir for nylig udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve og fremhævet i journalen Natur , viste forskerholdet fra Harvard, at bulerne på pukkelflipperen, kendt som tuberkler, ændrer fordelingen af ​​trykket på svømmefødderen, så nogle dele af den går i stå før andre. Da forskellige dele af flipperen går i stå ved forskellige angrebsvinkler, er det nemmere at undgå brat standsning. Denne effekt giver også hvalen mere frihed til at angribe i højere vinkler og evnen til bedre at forudsige dens hydrodynamiske begrænsninger.

Forskerne fandt også ud af, at amplituden af ​​bumpene spiller en større rolle end antallet af bump langs en flippers forkant. Tanken er, at du kan lave et fly, der er meget sværere at stoppe og nemmere at kontrollere, siger van Nierop. F.eks. kan kampfly være designet til at være mere akrobatiske uden risiko for stall-inducerede styrt. I vandet kunne flådeubåde gøres mere smidige.

Harvard-forskningen validerer de første kontrollerede vindtunneltest af modelflipper, udført for fem år siden på US Naval Academy i Annapolis, MD, hvor det blev vist, at stalling, der typisk forekommer ved en 12-graders angrebsvinkel, er forsinket, indtil vinkel når 18 grader. I disse test blev luftmodstanden reduceret med 32 procent og løfteevnen forbedret med 8 procent.

Denne forskning blev detaljeret i en 2004 undersøgelse i samarbejde med West Chester University og Duke University. Dette [Harvard-værk] viser dybest set, at teori og empiriske målinger er tæt på, og tilføjer større vægt til vores oprindelige påstand om tuberklernes funktion, siger Frank Fish, en biologiprofessor ved West Chester og en hovedforfatter af den originale undersøgelse.

Allerede nu forsøger man at inkorporere tuberkeldesignet i kommercielle produkter. Fish er formand for et foretagende baseret i Toronto, Ontario, kaldet WhalePower , som er begyndt at demonstrere fordelene ved tuberkler, når de er integreret i forkanterne af vindmøller og ventilatorvinger.

Prototyper af vindmøllevinger (se billedet nedenfor) har vist, at den forsinkede stall fordobler møllernes ydeevne ved vindhastigheder på omkring 17 miles i timen og gør det muligt for møllen at fange mere energi ud af vind med lavere hastighed. For eksempel genererer møllerne den samme mængde strøm ved 10 miles i timen, som konventionelle møller genererer ved 17 miles i timen. Tuberklerne kanaliserer effektivt luftstrømmen hen over bladene og skaber hvirvlende hvirvler, der forbedrer løft.

WhalePower, der er baseret i Toronto, Ontario, tester denne vindmøllevinge på et vindtestanlæg på Prince Edward Island. Bumpene eller tuberklerne på bladets forkant reducerer støj, øger dets stabilitet og gør det i stand til at fange mere energi fra vinden.
Kredit: WhalePower

Stephen Dewar, direktør for forskning og udvikling hos WhalePower, siger det løbende tests ved Wind Energy Institute of Canada, i provinsen Prince Edward Island, har vist, at de tuberkelforede vinger er mere stabile, støjsvage og holdbare end konventionelle vinger. Møllen har overlevet at blive ramt af kanten af ​​en orkan, og den overlevede vinddrevet sne og is, siger han.

WhalePower har også vist i demonstrationer, at tuberkelforede vinger på industrielle loftsventilatorer kan fungere 20 procent mere effektivt end konventionelle vinger kan, og de gør et bedre stykke arbejde med at cirkulere luftstrømmen i en bygning. Resultaterne var dramatiske nok til at overbevise Canadas største producent af ventilationsventilatorer om at licensere designet, som vil blive vist i en ny serie af produkter, der er planlagt til frigivelse i slutningen af ​​april.

Denne licensaftale med fanfirmaet er fantastisk, siger Fish. Det viser dybest set en af ​​de mange potentielle anvendelser for denne teknologi. Sammenslutningen af ​​biologi og teknik gennem biomimetik vil gøre fremtidige innovationer mulige.

Harvard-undersøgelsen når frem til samme konklusion. Det er muligt, at erfaringerne fra pukkelhvalflipperne snart vil finde vej til designet af specielle vinger, hydrofoils samt vindmølle- og helikoptervinger.

skjule