Kan het wat zachter?

“Als een propeller ronddraait, creëert die een verstoring in de luchtstroming. Die verstoring kun je in de aerodynamica duiden via bijvoorbeeld fluctuaties, turbulentie of wervelingen, maar daarnaast ontstaan er ook geluidsgolven. Deze geluidsgolven dragen veel verder dan de andere aerodynamische verschijnselen. Als een vliegtuig overvliegt voel je niets van de luchtstroming, maar je hoort het wel!” We spreken met Frits de Prenter (35), universitair docent in het Aeroacoustics-team van de sectie Windenergie aan de TU Delft. 

Bewoners rond luchthavens

“Naast de motoren zijn ook de landingsgestellen van vliegtuigen een interessante en belangrijke bron van geluid. Die bevatten meerdere componenten achter elkaar. Het voorste deel creëert wervelingen. De vorming van deze wervelingen is een relatief milde bron van geluid. Zodra ze echter op het tweede stuk van het landingsgestel ‘botsen’, worden er veel akoestische golven gegenereerd. Daar hebben vooral bewoners rond luchthavens last van. Wij willen deze fenomenen beter begrijpen én betere technieken ontwikkelen om geluidsproductie te voorspellen met computersimulaties en windtunnelmetingen. Zo kan de luchtvaartindustrie er in het ontwerp van nieuwe modellen rekening mee houden.”

Stillere windturbines

Onderzoek naar aero-akoestiek reikt uiteraard verder dan alleen de luchtvaart. “Ook windturbines maken aerodynamisch geluid. Los van de mechanische elementen in de molen, produceert de stroming langs de bladen geluid. Wanneer de lucht langs de bladen stroomt, hebben de stromingen aan beide zijden van de bladen hun eigen turbulente fluctuaties. Als deze twee stromingen met ieder hun eigen turbulente fluctuaties aan de achterrand bij elkaar komen, veroorzaakt dit een geluidsgolf.”

We vragen Frits naar mogelijke oplossingen om dit geluidsniveau ‘in de lucht’ naar beneden te brengen.

“De achterrand van een windturbineblad is soms gewoon recht en soms gekarteld. Die kartels zijn ervoor om de turbines stiller te maken. Wanneer de kartels de juiste afmetingen en frequentie hebben, doorbreken ze het effect van de wervelingen. Hierdoor produceert het blad minder geluid. Momenteel doen we onderzoek om dit geluid te verminderen door het uiteinde van het blad van een poreus materiaal te maken en om deze techniek in te zetten voor andere toepassingen, bijvoorbeeld voor vliegtuigvleugels.”

Snellius voor grote berekeningen

Brengt Frits veel tijd door in windtunnels of werkt hij vooral met computersimulaties?

“Ik ben alleen in windtunnels als ik moet bijspringen, want mijn interesse en expertise liggen vooral bij numerieke methoden. De helft van de week richt ik mij op de ontwikkeling van algoritmes, de andere helft help ik onderzoekers om die algoritmes op een slimme manier in te zetten. Voor sommige toepassingen beschikken we ook over data waarmee we aan het rekenen kunnen.”

Is dat de reden waarom zijn onderzoekers bij SURF aankloppen?

“Het ontwikkelen van een algoritme kan gewoon op de laptop. Zo’n algoritme probeer je vervolgens uit op een klein sommetje. Als je echter naar industriële toepassingen wil kijken, dan gaat het al snel om grote berekeningen. Om losse wervelingen in een berekening te kunnen weergeven, heb je een erg fijne resolutie nodig. Als je dat combineert met de grootte van een vliegtuigvleugel of een windturbineblad, kun je je voorstellen dat er veel rekenkracht nodig is. Voor dat soort projecten komen wij naar Snellius, de nationale supercomputer van SURF. 

Zo onderzoeken wij de aero-akoestiek bij elektrisch vliegen. Dat gebeurt vrijwel altijd met propellers. Als je veel propellers naast elkaar op een vleugel plaatst, hebben die een effect op elkaar, wat voor veel geluid zorgt. Hoe dit geluid precies geproduceerd wordt en wat de belangrijke parameters in dit proces zijn, hebben we in een recent project samen met het Von Karman Instituut in Brussel beter leren begrijpen en in beeld gebracht. Wat is precies het effect van de ene propeller op de andere? Wat gebeurt er precies wanneer de bladen van de propellers elkaar passeren? Als je zes in plaats van twee bladen per propeller gebruikt? En de invalshoek aanpast? Daar is heel veel rekenkracht voor nodig.”

Vliegende auto's

“Een ander onderzoeksgebied waarvoor we op Snellius rekenen, heeft te maken met ‘urban air mobility’ en ‘advanced air mobility’. Of, in gewone mensentaal met de nodige nuance, ‘vliegende auto’s’. Dan heb je het over relatief kleine voertuigen met veel propellers die verticaal kunnen opstijgen en landen, in de buurt van bebouwing. Bebouwing en de wind daaromheen zorgen voor veel wervelingen. Wat is het effect van de interactie tussen de wervelingen en een propeller en welk effect hebben die wervelingen op de voortplanting van het geluid? 

Om hier iets zinnigs over te kunnen zeggen, heb je enorm veel berekeningen nodig. De simulatie van een enkele propeller bij een bepaalde instroom zou op een normale desktop een aantal maanden tot een halfjaar duren. Op Snellius kunnen we met het equivalent van honderden desktops tegelijk rekenen, waardoor dit soort onderzoeken haalbaar worden.”

Is hier specifieke kennis voor nodig?

“Voor iemand die gebruikmaakt van simulatie-algoritmes is een high-performance computer als Snellius niet heel anders dan een normale desktop. Snellius draait op een Linuxplatform met een ‘scheduler’. Daar moet je even je weg in vinden. Mensen die Linux minder goed kennen, omdat ze bijvoorbeeld normaal gesproken met Windows of Apple werken, moeten een aantal commando’s leren om aan de slag te gaan. Binnen ons team is er altijd wel iemand te vinden die je daarmee op gang kan helpen. Voor iemand die de algoritmes ontwikkelt, is het parallelliseren voor high-performance computers natuurlijk een heel ander verhaal.”

Nog veel te ontdekken

Tenslotte vragen we Frits naar zijn belangrijkste drijfveren. Wat maakt dit werk voor hem zo bijzonder?

“Ten eerste vind ik het onderzoek, de omgang met promovendi en het lesgeven aan studenten enorm leuk. Daarnaast zijn we pas serieus met onderzoek naar aero-akoestiek begonnen nadat de straalmotor was uitgevonden. In de afgelopen pakweg 75 jaar is er veel in ons vakgebied gebeurd, maar er valt nog veel te leren en te ontdekken. Technologische ontwikkelingen als quantumcomputing en AI gaan ons hier beslist bij helpen. 

Geluidsoverlast in onze woonomgeving haalt regelmatig het nieuws. Het verminderen van die overlast is voor de industrie een constant punt van aandacht. Mensen die bij ons promoveren, hebben daarom binnen no-time een baan gevonden. Ik ben blij dat ik samen met mijn collega’s daar een bescheiden rol in kan spelen.”

Tekst: Edwin Ammerlaan