Twisted Flow Wind Tunnel i Auckland

Segel är fascinerande. Hur mycket man än lär sig om hur de skall se ut och trimmas, så upptäcker man att det finns massor av saker som man inte förstår.

Och är man lite vetgirig, så är mitt jobb perfekt. Jag får träffa världens bästa designers, de som utvecklar nya material som 3Di, de som skriver mjukvaror för beräkningar, och de som gör analyser av verklig prestanda som Johan Barne och Aksel Magdahl.

När det gäller vindtunneltester så finns det ett ställe på jordklotet dit alla de bästa teamen åker med sina segel- och båtdesigners – Twisted Flow Wind Tunnel vid University of Auckland. Framför allt när det gäller undanvindssegel så verkar många hänvisa till deras expertis.

Och när man träffar duktiga seglare, som Johan Barne eller Olof Detlefsen, som har gjort sina examensarbete där. Så då blir man ju lite extra nyfiken.

tfwt11-8.jpg
David le Pelley är chef för Yacht Research Unit och Dan Jovett jobbar framförallt med VSPARS (se nedan).

Man tillhör University of Auckland, men ligger ute i ett industriområde sydost om centrum. Målet är att finansiera den löpande verksamheten med kommersiella uppdrag, och med tanke på hur många båtbyggare, VO70- och stora IRC-projekt som använder tunneln så verkar det fungera ganska bra.

Man har också ett antal studenter och forskarstuderanden som gör sina projekt, som spänner över ett stort antal intressanta områden. Här får man en ganska bra uppfattning om vad man håller på med: Current research projects available to students. Kul mix av vetenskaplig höjd och praktiska försök. Genom åren har en lång rad svenskar varit där.

Man arrangerar också en konferens vartannat år, High Performance Yacht Design Conference. Nästa gång kör man i mars. Med dokumenten från de gamla konferenserna har man mycket tung läsning på nattduksbordet. Just nu läser jag “The effects of staysails on yacht performance”.

tfwt11-9.jpg
Här är hela setupen. Till vänster sitter själva fläktarna. De vita “jalusigardinerna” kan justeras för att får ett “twisted flow” altså en vind som vrider med höjden. I verkligheten varierar ju både styrka och vinkel med höjd över havet, plus att båten så klart rör sig vilket påverkar relativ vindvinkel. Här åstadkommer man det på konstgjord väg.

I mitten sitter en skalenlig båtmodell i en slags vagga som gör att man kan ändra båtens lutning. Den svarta skivan kan ställas in för att justera vinkeln mot vinden. Med en fjärrkontroll så skotar man.

Till vänster datorn som står för det magiska. Man stoppar in båtdesignerns teoretiska värden för båtfart, lutning och annat som används för att ställa in båtmodellen.

tfwt11-10.jpg
Här visas de viktigaste siffrorna i realtid: fart, lutning, Drive (som är drivkraften framåt), vindstyrka och vindvinkel.

tfwt11-11.jpg
En av avknoppningarna från verksamheten är en applikation och ett bolag som heter VSPARS. Med hjälp av en kamera på däck och en mjukvara kan man i realtid samla in data om seglets form och direkt göra justeringar i trimmet för att anpassa formen.

tfwt11-12.jpg
Här ser man segelformen i realtid jämfört med den designade formen från segelmakaren. All data lagras för att kunna analyseras i efterhand. Även foton av seglet, så att man i efterhand kan se hur det såg ut när det var som effektivast.

Några projekt använder VSPARS på racen, dvs man kan hela tiden justera trimmet baserat på det man ser i mjukvaran. Här är en oerhört intressant artikel från Wally Cross kring hur man använder VSPARS på TP52 Quantum Racing.

Det finns en speciell paketering som heter VSPARS Olympic, som bland annat används av engelska OS-seglarna. Där använder man t.ex. en GoPro-kamera på däck och kan i efterhand ladda in alla bilderna i VSPARS som snabbt analyserar segelformen. Detta synkas med annan data som samlats in i Cosworth Pi Garda. Hightech!

VOR20111105_TODD_0012VOR20111105_TODD_0012.jpg
Det vanligaste scenariot är att ett projekt kommer in och spenderar 3-4 dagar i vindtunneln. Man har med sig ett antal segel som man vill jämföra och hitta så kallade “cross overs”, dvs när lönar det sig att byta från ett segel till ett annat. I rummet finns då båtdesigner, segeldesigner, trimmers och de som ansvarar för prestandaanalys. Man kan på bara ett par dagar få rimligt bra svar på sådant som skulle ta år på havet. Camper körde till exempel 1400 olika tester på bara ett par dagar (ett visst segel under specifika förhållanden). Hur lång tid skulle det ta att göra det på havet?

3d_plot.jpeg
Här ser man ett antal sådana körningar. Baserat på vindstyrka (TWS) och vinkel (TWA) så får varje segel (olika färger) en viss framåtriktad kraft. Man får här en ganska bra uppfattning om vilka segel som funkar bäst under vilka förhållanden.

Vi hade så klart en diskussion om datorberäkningar kontra försök i vindtunneln. För att köra en kryssgarderob så fungerar CFD (Computational Fluid Dynamics) men för undanvindssegel och mer komplexa frågeställningar så går det snabbare och blir billigare att köra i vindtunneln. Att få till bra CFD-körningar kräver mycket kompetens, och med moderna datorer så blir uppsättningstiden längre än själva beräkningarna.

Framförallt på undanvind i mycket vind är det svårt att räkna på krafterna, och hur de påverkar båtens lutning (och därmed motståndet i vattnet). Och på en VO70 med begränsad undanvindsgarderob så gäller det att få detta rätt från början. Att sy upp segel som måste lämnas i land är inte billigt… Farr Yacht Design har skrivit en bra artikel om arbetet med Abu Dhabi Ocean Racing i senaste Seahorse.

tfwt11-3.jpg
Man bygger modeller av alla de båtar man testar. Då skrovets form har stor inverkan på flödet kring ett segel, så är det viktigt att de är detaljerade.

tfwt11-4.jpg
Även besättningen påverkar så klart strömningen. Här har vi gänget på en TP52 som sitter väl samlade på railen.

tfwt11-6.jpg
Här är ett annat sätt att mäta tryckskillnaderna på lä- och lovartssidan av ett segel. Man har gjort tunna segelprofiler med massor av hål längs seglet.

tfwt11-7.jpg
Dessa går in i ett antal små slangar som sitter vertikalt i seglet. När man tejpar över alla hål utom de som man vill studera, så kan man ju mäta lufttrycket i nederkant av varje slang. På så sätt kan man jobba sig igenom hela seglet uppifrån och ner.

tfwt11-14.jpg
Man har också experimenterat med att göra undanvindssegel på detta sätt, men det har visat sig svårare än väntat.

tfwt11-13.jpg
Här har man på samma sätt monterat in slangar i en skrovmodell för att kunna mäta tryckskillnader runt ett skrov. I det här fallet en Dehler 33. I just det här fallet så stod skrovet för 12% av sidokrafterna vid kryss, vilket är ganska mycket.

tfwt11-1.jpg
Jag gillar deras “hands on”-approach till det man håller på med. Man har till example experimenter at en del med trycksensorer i segel, både kryss- och undanvindssegel. David själv seglar en Stewart 34 som får vara experimentplattform.

tfwt11-2.jpg
Här ser man sensorerna som mäter trycket på bägge sidor av seglet. Tunna sladdar går ner längs med förliket ner till en box där man samlar in data. På detta sätt kan man verifiera de teoretiska värden man får från en segelmakares CFD-beräkningar med också de värden man får när man kör ett segel i vindtunneln.

De orange banden i seglet finns där för att de skall kunna kännas igen av VSPAR.

tfwt11-15.jpg
Man har också kört trycksensorer i spinnakers.

När jag ber David titta ett par år framåt, så tror han att mycket av de rutinmässiga körningarna kommer att göras i datorer i stället för i vindtunneln, och att de kommer att jobba mer med praktiska försök med sensorer och VSPARS. Samtidigt så dyker det hela tiden upp nya frågeställningar som behöver besvaras. Det känns inte som man kommer att bli sysslolösa i första taget.

15 Comments

  1. Johan Jan 15, 2012 Reply

    Grymt kul ställe, där skulle jag vilja jobba!
    Jag kan se att mjukvaran som dom utvecklat i tunneln är gjort i LabView. Ett gammalt kompetensområde för mig… dom kanske behöver förbättring i mjukvaran??? :)

  2. JIMMY Jan 15, 2012 Reply

    Hur kompenserar de för skillnader i Reynoldstal mellan modell och verklighet?

    • Johan Jan 16, 2012 Reply

      Brukar man inte kompensera med vindhastigheten för det vill jag minnas? Reynoldstalet är väl längd, hastighet och viskositet. Viskositeten är ju konstant i “verkligheten” och i modell-världen. Längden förändras iom att det är modeller. För att bibehålla reynoldstalet så är det hastigheten kvar att variera.

    • Raketen Jan 16, 2012 Reply

      Nu är inte jag någon vindtunnel expert.

      Men om man jämför med “normala” vindtunnlar. Så brukar tunneltesterna
      stämma bra, när man jämför med verklighetens fullskala. I avseende vingprofilers egenskaper i olika anfallsvinklar mm. Det gäller att det är skalenligt, både på komponenterna och hastigheterna i tunnlarna.
      Herr Reynold är jag säker på att han inte är så glad. Men det får han ta. ;)
      Det finns säkert sätt att räkna fram skillnaderna på testerna.
      Kanske någon här som kan svara?

      På -70,-80 talet trodde man, när man tog fram de första beräkningsprogrammen för flödesberäkningar. Att inom några år, så skulle man kunna skrota allt som heter vindtunnlar osv. (Inklusive medkonstruktören till din Pac Man =) En kompis som jobbade på SAAB Aircraft trodde det på -90 talet.. Enligt uppgift kör man mer tunneltester i världen idag, än tidigare…. (ju mer man vet, ju mer är man säker på att man vet för lite… )

      CFD=grundkonstruera. Tunnel=verifiera CFD. Fullskala/slutprodukt= Varifiera verifiera CFD och tunnel! =)

      • Calle P Jan 16, 2012 Reply

        En av anledningarna till att Airbus kan bygga tystare och bränslesnålare plan än Boeing är att dom har en mer sofistikerad vindtunnel. Dom kan köra mycket kallare luft i den.

      • Kåre Jan 18, 2012 Reply

        Först en snabb förklaring vad Reynoldstal (Re) är för nått.

        Re = “Dynamisk Viskositet” * längd / hastighet.

        Strömningen runt t.ex. en vinge beter sig likadant oavsett skala, medium eller fart så länge som Re-tal är den samma.
        Dvs. en halvmodell som testas i 10m/s beter sig lika som en helmodell i 5 m/s.

        Ett stort problem med denna vindtunnel är att Re-tal blir väldigt små förhållandevis till verkligheten.

        För en VO70 når man omkring 3-10% på kryssen och 6-20% på slören av det verklighetens Re-tal.

        Detta är allt för stora skillnader för att enkelt kompenseras med t.ex. turbulatorer placerade på rätt ställen.

        Man kan lära sig mycket via experiment i en sådan här tunnel men man ska inte lita på resultaten allt för mycket och att sätta små modell gubbar på relingen får nog ses mest som en gimmick.

        Både CFD och vindtunnlar har sina fördelar och nackdelar.

        Det viktiga när man jobbar med tunnel eller CFD är att de som utför experimenten/beräkningarna samt tolkar resultaten verkligen vet vad de sysslar med, tyvärr är detta inte alltid fallet, speciellt i båtbranschen.

        Ps
        Jag har aldrig hört Svenne Ridder säga att vindtunnlar inte behövs i framtiden pga. datorns framfart, däremot har jag hört honom uttrycka oro att beslutstagarna har en övertro på CFD och vill lägga ner alla vindtunnlar.

        MVH

        Kåre Ljung

        • Kåre Jan 18, 2012 Reply

          Feltrycks nisse var framme
          Re-tal är självklart
          Re = densitet*fart* längd /”Dynamisk Viskositet”.

          Mvh Kåre

          • Calle P Jan 18, 2012

            Så om man kör en halvmodel vid minus 125 grader C så för man ett riktigt resultat?
            Densiteten på luft är ungefär dubbel vid de temperaturerna.

          • Kåre Jan 18, 2012

            Det räcker att kyla ner till ca -80 grader eftersom viskositeten ändrar sig.

            I T1500 tunneln i Bromma så trycksätter man hela tunneln för att få högre Reynolds tal.

        • Raketen Jan 18, 2012 Reply

          Tack Kåre för inlägget!
          Nu börjar det bli länge sedan man läste aerodynamik…
          De Vindtunnel modeller jag sett på bla. SAAB har varit framtagna
          med väldigt hög precision.
          Kan ha blandat ihop vem som uttryckt vad. Det var inte igår.. :)
          Tror att precis som du säger. Att det krävs erfarenhet och kompetens att tolka resultat i CFD och tunnel, för att förstå
          effekterna när det appliceras i fullskala/verkligheten.

          Jag har exprimenterat lite med placeringar av turbulator taper osv på segelflygplan. Att hitta optimal placering kan ju vara knixigt. Framförallt så kan det förbättra lågfartsområdet. Kan man minska avlösningsblåsor så har man vunnit väldigt mycket.
          Har man provat samma saker på skrov osv?
          Problemen är nog inte liknande. Men en kontrollerad omslagspunkt från laminär till turbulent strömning borde vara fördelaktigt även på skrov?

          Fantastiskt intressant det här.

          p.s
          Har varit i Västervik och besiktat några flygplan på flygplatsen vid några tillfällen. Det står (ev. stog) 2 Winddex i en utav hangarerna. Är ni fortfarande involverade i det projektet?
          Lite nyfiken bara. Fin liten flygmaskin med riktigt trevliga prestanda! =)

          • Kåre Jan 19, 2012

            Vindtunnelmodeller ska ha en väldig hög ytfinish, liten vågighet på ytan och rätt shape.
            Vill man simulera imperfektioner får man lägga till dem på modellen efteråt.

            En liten snabb förklaring vad en “avlösningsblåsa/laminärbubbla” är för nått.

            När en vingprofil går i låga Reynoldstal t.ex. segelflyg eller smala kölar i låg fart så har luften/vattnet svårt att ligga ann mot vingprofilen när gränsskiktet går över från laminärt till turbulent och en bubbla bildas.
            Man vill få denna bubbla så liten som möjligt dvs. få luften/vattnet att ansluta sig till vingen så snabbt som möjligt.
            I värsta fall ansluter sig inte luften/vattnet alls till vingen igen dvs. total separation och detta ökar motståndet radikalt samtidigt som man tappar lyftkraft.

            Ett sätt att minska denna bubbla är att montera turbulatorer t.ex. i form av zick-zack tejp på ett position där övergången från laminärt till turbulent gränsskikt ger minst förluster.

            Man har inte detta problem på skrov eftersom Reynoldstal är så högt att man nästan har 100% turbulent gränsskikt.

            Att sätta turbulatorer på master lönar sig men detta är förbjudet i nästan alla klasser.

            p.s
            Pga. tid- och penga- brist så ligger Windexflygplanet i träda just nu.
            MVH
            Kåre

  3. Raketen Jan 16, 2012 Reply

    Det här är en kul länk om man vill förkovra sig lite i laminära strömningar.
    Det här är spännande, även för framtida prestandahöjande åtgärder för segelbåtar.
    Otroliga prestandaökningar kan åstakommans. Inte bara någon procent hit eller dit.

    http://www.deturbulator.org/

  4. F424 Jan 16, 2012 Reply

    Grymt kul när man lyckas koka ihop teorier och verifiera med praktiska försök. Intressant reportage Peter, tack!

  5. Tommy L Jan 16, 2012 Reply

    Peter,

    mycket intressant reportage, tack! Som nån sa ovan, där skulle man vilja jobba…! :-) Om du (mot förmodan) hör av gänget där att de är på jakt efter en 50-plussare som praktikant, så är jag beredd att ta ett sabbatsår och packa väskan direkt…! :-)

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.