Bionische vleugelkleppen verbeteren de efficiëntie van windmolens

In het Journal of Renewable and Sustainable Energy laten wetenschappers uit China zien dat een bionische benadering die kenmerken van de vleugel van een zeemeeuw combineert met een speciaal ontwikkeld stroomregelaccessoire, bekend als een Gurney-flap, de prestaties van windturbines aanzienlijk kan verbeteren.

Luchtstroompatronen rond een Gurney-flap. Beeld: Liming Wu, Xiaomin Liu, Yang Liu en Guang Xi

Een Gurney-klep is een klein lipje dat haaks op de achterrand van een vleugel uitsteekt. Zijn aanwezigheid verstoort windstroompatronen en is vooral effectief bij het verbeteren van de prestaties bij lage invalshoeken. In aerodynamica is de invalshoek de hoek tussen een lijn door het midden van een vliegtuigvleugel en de tegemoetkomende luchtstroom.

Hoewel Gurney-kleppen de prestaties bij lage invalshoeken verbeteren, zijn ze niet ideaal voor grote invalshoeken. Onderzoek heeft aangetoond dat hoewel Gurney-kleppen de prestaties van windturbines in sommige situaties aanzienlijk kunnen verbeteren, de turbinesnelheid in totaal zal worden verlaagd.

Bionische stroomregeling is een relatief nieuwe benadering die biologische vluchtcontrolesystemen imiteert – met andere woorden, vleugels en veren. Het idee komt voort uit de observatie dat tijdens de landing of bij een windvlaag de veren op de bovenkant van de vleugels van een vogel naar buiten springen, waardoor een natuurlijke flap ontstaat.

Computationele en experimentele studies tonen aan dat op bionische veer geïnspireerde kleppen de lift kunnen vergroten en het begin van stalling bij hoge invalshoeken kunnen vertragen. Ondanks hun voordelen kan het toevoegen van bionische kleppen ook de lift verminderen, vooral voordat een stall begint. Daarom probeerden de onderzoekers een benadering waarbij Gurney-flappen werden gecombineerd met bionische kenmerken.

Om de beste aerodynamische prestaties te bereiken, simuleerden de wetenschappers het gebruik van het gecombineerde stroomregelaccessoire in verschillende situaties, waaronder een hoge en lage invalshoek en pre- en post-stall scenario’s. Ze vergeleken hun computationele simulaties met experimentele resultaten voor een vliegtuigvleugel die een dynamische stall ondergaat.

"De algemene trend van de berekende liftcurve komt goed overeen met de experimentele meetresultaten. Daarom wordt de nauwkeurigheid van onze simulatie als acceptabel beschouwd, omdat de dynamische stal en de controle ervan notoir moeilijk te voorspellen zijn", zei auteur Xiaomin Liu.

Het gecombineerde stroomregelaccessoire verbetert effectief de liftcoëfficiënt van het vleugelprofiel volgens Liu. "Voor aanvalshoeken in het bereik van 16 tot 24 graden wordt de maximale liftcoëfficiënt van de vleugel met 15% verhoogd wanneer een combinatie van Gurney-flap en bionische klep wordt gebruikt."