De Ring of Fire is een soort mobiele windtunnel die gebruikmaakt van de methode ‘particle image velocimetry’ (piv) Een meetmethode waarbij je de snelheid van deeltjes afleidt op basis van camerabeelden. Bij deze methode voeg je eerst kleine deeltjes toe aan een stromend medium, in dit geval de lucht. De deeltjes moeten de stroming goed volgen. Dat is zo als ze bij benadering dezelfde dichtheid hebben als het medium of als ze heel klein zijn. Een laser verlicht de deeltjes en een camera brengt deze vervolgens in beeld. Maak je heel veel beelden kort achter elkaar? Dan kun je hieruit de snelheid van de stroming bepalen.
Ring of fire – meetopstelling
Hoe ziet de meetopstelling van de Ring of Fire eruit? Deze bestaat uit een verplaatsbare windtunnel met hierin een zeepbelgenerator, een laseropstelling en twee hogesnelheidscamera’s.
Figuur 2: Meetopstelling Ring of Fire. Zeepbelgenerator (seeding generator) produceert zeepbellen gevuld met helium. Een laser verlicht een vlak loodrecht op de rijrichting van de wielrenner. Twee camera’s maken beelden van de oplichtende zeepbellen. Bron: TU Delft.
Figuur 3: Bovenaanzicht van de meetopstelling van de Ring of Fire. Bron: On-Site cycling drag analysis with the Ring of fire.
Voordat de metingen starten, wordt de tunnel eerst afgesloten en gevuld met kleine met helium gevulde zeepbelletjes. Een laser verlicht de zeepbelletjes in een vlak loodrecht op de rijrichting van de wielrenners. De kleine belletjes verstrooien het laserlicht en zijn zo goed zichtbaar op de twee camera’s die tijdens de metingen aan twee zijkanten van de tunnel beelden maken. Als de meting begint, wordt de tunnel geopend. De meting begint ruim voordat de wielrenner het vlak passeert. Zo kunnen onderzoekers eerst de beginsituatie in kaart brengen en daarna het effect zien van de renner die met een snelheid van zo’n 45 km/uur door de tunnel fietst.
De twee camera’s maken met 500 Hz (500 beelden per seconde) beelden van het verlichte bellenvlak. Doordat er twee camera’s staan, kun je – net als met twee ogen – ook diepte-informatie krijgen. Zo kun je de snelheidsvectoren bepalen in drie richtingen.
Als je de beelden – gemaakt met de Ring of Fire – van de langsfietsende wielrenner bekijkt, zie je hoe de wolk van zeepbelletjes in het begin stil hangt en hoe de zeepbelletjes beginnen te bewegen als er een wielrenner langskomt. Je ziet hoe de belletjes in het zog – de turbulente, wervelende stroming achter de wielrenner – worden meegenomen.
Hoe meer de lucht beweegt, hoe groter de luchtweerstand was op de wielrenner. Zo kunnen de onderzoekers uit de informatie over de luchtverplaatsing de luchtweerstand berekenen.
Ring of Fire – meetmethode
Om de luchtsnelheid te bepalen, delen onderzoekers de foto’s met belletjes op in kleine blokjes van ongeveer 2,5 centimeter. Ze kijken naar het groepje belletjes in het ene blokje en bepalen dan met de methode van kruiscorrelatie (uitleg verderop) waar dat groepje een tijdstap later naartoe is verplaatst. De verschuiving geeft dan de afgelegde afstand in het tijdstapje tussen twee beelden. Zo kun je uit opeenvolgende beelden de snelheid bepalen.
Figuur 5: Principe van de meetopstelling bij particle image velocimetry. Een laser en optische elementen (light sheet optic) vormen een verlicht vlak (light sheet) waarin de te meten deeltjes bewegen (Tracer Particles). Een camera maakt een afbeelding van de deeltjes op achtereenvolgende tijdstippen. Hier zie je twee afbeeldingen op tijdstip 1 en 2 (Frame 1 en frame 2). Met kruiscorrelatie (Cross Correlation) wordt uit de opeenvolgende beelden voor ieder deelvlak bepaald wat hierin de snelheid en richting van de deeltjes is. Bron: Optolution.
Kruiscorrelatie
Wat doe je bij de bepaling van kruiscorrelatie? Stel je voor dat je met een heel snelle sluitertijd – zodat er geen bewegingsonscherpte is – twee foto’s maakt van iemand die zwaait. De tijd tussen de foto’s is 1 seconde. Als je nu met software vanuit de eerste foto het patroon van de hand vastlegt, dan kun je met speciale software dit patroon van de hand ook op de tweede foto weer terugvinden. Als je dan de verschillende posities van de hand op de twee foto’s bepaalt, weet je het afstandsverschil dat in 1 seconde is afgelegd. Hieruit kun je dan de snelheid uitrekenen.
Met de particle image velocimetry-meetmethode kunnen onderzoekers de luchtstroming om de wielrenners heen bepalen, als ze door de mobiele windtunnel rijden. Uit het snelheidsprofiel kunnen ze dan de luchtweerstand van de renner afleiden.
Als je de linker en rechter afbeelding uit figuur 6 met elkaar vergelijkt, zie je dat de hoeveelheid beweging van lucht in de contouren van de wielrenners niet heel veel van elkaar verschillen bij de twee verschillende houdingen. Wat wel duidelijk anders is, is dat de lucht als de renner meer rechtop zit in een groter gebied hieromheen in beweging komt.
Metingen met de Ring of Fire geven inzicht in het effect van de bewegingen die een wielrenner maakt op de luchtweerstand. Je kunt zo zelfs kijken wat er gebeurt als een wielrenner een bocht maakt of wat er gebeurt als meerdere wielrenners achter elkaar rijden.
Onderzoek in Thialf
De onderzoekers in Delft gebruiken de Ring of Fire ook voor onderzoek naar schaatsbewegingen. Schaatsbewegingen zijn erg dynamisch. Bij schaatsers kunnen ze bijvoorbeeld heel goed zien wat het verschil is tussen schaatsen met twee handen op de rug of met één hand op de rug en één hand los. Of meten wat er gebeurt als de schaatser een bocht maakt.
Figuur 8: Ring of fire Thialf. Bron: YouTube, NOC*NSF.
Met dank aan Wouter Terra
