Aerodynamica, verstand van luchtweerstand

De vorm van de zonneauto bepaalt een groot deel van de aerodynamica. Op cruisesnelheid kost de luchtweerstand meer dan driekwart van de energie om de zonneauto op snelheid te houden. Het is dan ook belangrijk dat de Twentse zonneauto de meest optimale vorm heeft. In ontwerpiteraties wordt het design geoptimaliseerd in computersimulaties en gevalideerd in windtunneltesten. De productie van de uiteindelijke vorm wordt met uiterste precisie uitgevoerd.

Lees hieronder het hele artikel
 
Leren van luchtstroming

De kern van aerodynamica komt neer op het in de computer ontwerpen en doorrekenen van verschillende uiterlijke vormen van de beoogde nieuwe zonneauto. Tal van vraagstukken komen naar voren, zoals een zo plat mogelijk zonnepaneel, een zo dun mogelijke hoofdvleugel, de meest optimale energiebalans, het juiste frontale oppervlak, de beste positie van de wielen, de downforce. Wanneer de grote keuzes zijn gemaakt, dan worden de vleugelprofielen en aanhechtingen tussen de wielkappen en de ondervleugel geoptimaliseerd. Alles is gericht op het verminderen van de wervels, wrijvingsweerstand en drukweerstand. Van het bijna definitieve ontwerp wordt een schaalmodel gemaakt dat in de windtunnel wordt getest om de resultaten van de computerberekeningen in de praktijk te verifiëren.

Frontaal oppervlak

Om innovatie te stimuleren wordt het reglement van de World Solar Challenge geregeld aangescherpt of zelfs gewijzigd. De consequenties daarvan stellen Solar Team Twente direct voor nieuwe, technische uitdagingen. De creativiteit en slimmigheid van de Twentse techneuten zorgt er iedere keer weer voor verrassende oplossingen of aanpassingen. Uiteindelijk heeft alles effect op de wielbasis, de afstand tussen de voorwielen en de achterwielen. Als die centimeters korter wordt, dan wordt de spoorbreedte centimeters smaller. Dat bepaalt dan weer het aantal wielkappen of de noodzaak om te besparen op omstroomd oppervlak, dat minder luchtweerstand betekent. Ook mag de leading edge – dat is het deel van het voorwerp waar de lucht als eerste tegenaan botst – niet te veel interferentie ondervinden van het zog, het gebied met turbulente lucht achter de voorste wielkap. De smallere spoorbreedte zorgt voor een grote vermindering in frontaal oppervlak. Het betekent dat de zonneauto een minder groot gat ‘in de lucht slaat’.

Wondere wielkappen

Het samenbrengen van veranderingen is uitdagend en vaak niet zo eenvoudig. Zo brengt het smaller maken van een zonneauto tal van technische uitdagingen met zich mee, waarvan het tunneleffect en de interferentie van de wielkappen de grootste zijn. Onder de auto botst de lucht op een gegeven moment tegen de wielkappen aan. Omdat de lucht daar niet weg kan, ontstaat er een gebied voor de wielkappen waar de lucht per definitie wordt afgeremd. Aangezien de wielkappen wel nodig zijn, moet Solar Team Twente besluiten wat de perfecte positie van de wielkappen moet zijn, bijvoorbeeld verder naar achteren. Dan ontstaat er aan de voorzijde meer vleugelruimte waar de lucht ongestoord langs kan stromen. Zo wordt de totale luchtweerstand verder verminderd.

Tunneleffect

Als de zonneauto smal is uitgepakt en er dus twee lange, gesloten wielkappen onder de zonneauto komen te zitten, ontstaat onder de zonnewagen een smalle ‘tunnel’. Omdat de lucht onder de zonneauto ineens door die smalle opening moet, zal de lucht hier per definitie versnellen. Dit creëert een lagedrukgebied onder de zonneauto, waardoor veel downforce ontstaat. Als een raceauto op een circuit rijdt met veel bochten, dan is downforce fijn, want hierdoor ontstaat meer grip. Maar de zonneauto’s rijden tijdens de race ‘down under’ niet op een circuit. En downforce zorgt ook voor meer weerstand. Om de downforce zo veel mogelijk tegen te gaan, zitten er uitstulpingen aan de zonneauto. Deze zorgen ervoor dat de langs vliegende lucht wordt vertraagd. Dit zorgt weer voor minder weerstand en kan zo meer snelheid worden gewonnen.

Energiebalans

Circa 82 procent van de energie-uitgave van een personenauto of zonneauto is de luchtweerstand. De aerodynamische vorm van elke zonneauto is daarom enorm bepalend tijdens het ontwerpproces. Het verklaart het voortdurende streven van Solar Team Twente om steeds opnieuw te komen tot een perfecte combinatie en balans tussen energie-inkomsten en energie-uitgaven. Zodra het aerodynamische concept van de nieuwe zonneauto vaststaat, treft Solar Team Twente de voorbereidingen van de testen in windtunnel. Dan worden de aerodynamische rekenmodellen op de computer gevalideerd aan de hand van een schaalmodel waar lucht met circa 300 kilometer per uur langs stroomt. Op basis van de verkregen kennis en inzichten wordt het digitale ontwerpmodel in de computer verder verfijnd om de luchtweerstand verder te reduceren.

Mock-up testen

De mock-up is een prototype van de nieuwe zonneauto om de berekeningen en aannames te verifiëren die tijdens de ontwerpfase zijn gemaakt. De mock-up bestaat meestal uit een aluminium frame met daaraan alle mechanische en elektronische onderdelen, evenals de benodigde sensoren, zoals rekstroken, acceleratiemeters, inveringssensoren en loggers. Met behulp van mock-up-testen worden alle berekeningen die op de computer zijn gedaan vergeleken met de praktijk. Er wordt bekeken of alle losse onderdelen passen en werken zoals oorspronkelijk ontworpen. Tegelijkertijd wordt beoordeeld of de kritische onderdelen sterk genoeg zijn. Bij het testen worden onder meer bochten op hoge snelheid genomen en wordt over wildroosters gereden om het gedrag van de nieuwe zonneauto te analyseren. Nadat alles is geverifieerd kan de productiefase beginnen.

Aerodynamische coating

Tijdens de testperiode wordt meestal een aerodynamische coating aangebracht. De kleinste oneffenheden aan de buitenzijde van de zonneauto worden dan opgevuld en weggewerkt. Vervolgens wordt de definitieve luchtweerstand – de zogeheten CdA-waarde – gemeten in de windtunnel. De CdA-waarde is een term voor het weerstandsoppervlak van een object. De waarde zegt iets over de aerodynamische vorm en meet hoe efficiënt het object zich door de ruimte beweegt. Hoe lager de CdA-waarde, hoe sneller het object beweegt bij hetzelfde geleverde vermogen. Aan de hand van de CdA-waarde wordt het digitale strategische programma van Solar Team Twente verder geoptimaliseerd. De zonneauto wordt ook in een klimaatkamer getest, omdat het Australische klimaat aanzienlijk verschilt met het klimaat in Twente en de rest van Nederland. Thermische uitzetting kan negatieve gevolgen hebben op de aerodynamica en de werking van de verschillende mechanische componenten.

Bekijk hier alle onderdelen uit de #zonnewagen

#energietechnologie

Luchtweerstand van een colablikje

#energietechnologie

Technology Base: dé perfecte proeftuin voor testen zonneauto

#duurzame energie

RED E verbruikt evenveel als een tosti-ijzer

#energietechnologie

Solar Team Twente deelt kennis met RED Engineers van de toekomst

#zonnewagen

Het paneel, de zon als kracht voor duurzame energie

#zonnewagen

Zonnepaneel ELINE, maximale kracht uit de zon

#zonnewagen

Zonne-energie, de zon als onuitputbare bron

#zonnewagen

Vorm volgt functie

#zonnewagen

Mechanica, bewegende onderdelen