Wetenschap in de windtunnel
Honderden tests, week in week uit: de studies die we doen in de unieke Volvo Cars windtunnel bepalen de toekomst van autodesign. Neem een kijkje 'in het oog van de storm'.
De windtunnel van Volvo Cars heeft een reusachtige ventilator.
Welkom in een van de uiterst geheime testlaboratoria van Volvo Cars. In een staalgrijs metalen gebouw, in de oostelijke vleugel van het enorme fabrieksterrein op het eiland Hisingen bevindt zich onze legendarische windtunnel. Zo'n twintig mensen werken hier onder strikte geheimhouding. Nieuwe automodellen worden hier gedurende twee tot drie jaar getest en geanalyseerd. Van vroege prototypes van klei tot het eindproduct.
De tunnel was al hypermodern toen hij in 1986 in gebruik werd genomen. Sindsdien is hij verschillende keren gerenoveerd en aangepast om hem state-of-the-art te houden. Nog altijd is het een van de meest geavanceerde windtunnels ter wereld. In de windtunnel kan Volvo simuleren hoe een voertuig wordt beïnvloed door windsnelheden tot 250 km/uur en temperaturen tot 60 graden Celsius. De grote balans in de vloer maakt het mogelijk om drie verschillende richtingskrachten te meten en veranderingen in luchtweerstand te bestuderen.
"Deze windtunnel is uniek omdat het zowel een aerodynamische windtunnel als een verwarmde klimaattunnel is. We waren ook een van de eersten met een systeem dat een preciezer beeld geeft van de luchtweerstand. Ongeveer 25 procent van de luchtweerstand zit rond de wielen, dus het is van cruciaal belang om die te kunnen meten", zegt Daniel Strömberg, die toezicht houdt op de windtunnel bij Volvo Cars.
"Regen, sneeuw, stof, vuil – we testen alles wat de prestaties van voertuigen op de weg beïnvloedt"
Aerodynamisch testen is de afgelopen jaren steeds belangrijker geworden in de auto-industrie. Inmiddels is het een cruciale stap om emissies en het verbruik van fossiele brandstoffen te verminderen. Ook voor het bouwen van voertuigen die veilig en evenwichtig op de weg staan is het essentieel. Auto's met een verbrandingsmotor worden steeds vaker worden vervangen door EV's. Zelfs een kleine aanpassing van het ontwerp, om de luchtweerstand met een paar procent te verminderen, kan een enorm verschil in elektrisch rijbereik betekenen.
"Windtesten zijn een geweldig krachtig hulpmiddel bij het optimaliseren van voertuigen. Ik herinner me een autofabrikant die geen spoiler op de kofferbak had, waardoor de auto bij hoge snelheden instabiel werd", zegt Daniel. Ondertussen drukt hij op een knop van een schaalmodel van de windtunnel. Die laat zien hoe de lucht beweegt naar een LEGO-figuur die een vlag vasthoudt in de wind.
Daniel was van plan luchtvaartingenieur te worden, maar de aanslagen van 9/11 hadden een negatief effect op de luchtvaartindustrie. Gelukkig is hij nu al twintig jaar werkzaam bij Volvo Cars, waarvan de laatste vijftien jaar in de windtunnel. Hij omschrijft het als de beste baan ter wereld. Zijn taken variëren van het ontwikkelen van service en methodologie, tot het demonstreren van de tunnel aan belangstellenden, van scholieren tot investeerders.
"De tunnel is van maandag tot en met donderdag bemand, van 6 uur 's ochtends tot middernacht, en op vrijdag en zaterdag van 6 tot 18 uur. Dat geeft ons een totaal van 96 testuren per week en we zijn in principe volgeboekt. Als we onze eigen voertuigen niet testen, staan we open voor verzoeken van andere automerken, sporters zoals skiërs en wielrenners, of voor het testen van verkeerslichten. En de rockband Europe heeft hier zelfs een videoclip opgenomen!"
Een bezoek aan de windtunnel is alsof je wordt binnengelaten in een sci-fi filmset. De 165 meter lange tunnel buigt in een lus, en diep binnenin bevindt zich een 8,15 meter hoge rood-zwarte ventilator met bladen van koolstofvezel. De wind die door de ventilator wordt gegenereerd is turbulent. Daarom wordt deze door een reeks kamers, structuren en gaasschermen gevoerd om elke vortex af te breken. Dat zorgt voor een soepele, laminaire luchtstroom. Uiteindelijk bereikt de wind de laatste kamer, ook wel 'de contractie' genoemd.
"Binnen de contractie neemt de windsnelheid zes keer toe. Als we de ventilator op maximale snelheid laten draaien, bereiken we 250 km/uur in het testgedeelte. Dat komt overeen met 70 m/s, een extreme orkaan. Het voertuig is verankerd aan rollende stalen gordels en aan de balans die de windkracht meet. De balans is ongelooflijk gevoelig: je zou er de ingrediënten voor een taart op kunnen wegen", zegt Daniel.
Naast aerodynamische tests voert de faciliteit ook klimatologische tests uit. Met behulp van een kolossale warmtewisselaar en zonnesimulator kan men het rijden in de heetste woestijnen nabootsen, maar ook hoe het voertuig wordt beïnvloed door verschillende verontreinigende stoffen.
"Regen, sneeuw, stof, vuil – we testen alles wat de prestaties van voertuigen op de weg beïnvloedt", zegt Daryosh Farin, werkzaam als contamination control engineer bij Volvo Cars. "We zorgen ervoor dat vuil niet tot aan de deurklink komt en dat het zicht door het portierglas goed blijft als het regent. Als de uiteindelijke bestuurder nergens iets van merkt, betekent dat dat we goed werk hebben geleverd."
De windtunnel van Volvo Cars is vrijwel de klok rond in bedrijf, het hele jaar door.
Het bewegende grondsysteem van de tunnel is een andere belangrijke factor. Vier platte stalen gordels laten alle wielen draaien, terwijl een rol in het midden de grond simuleert en tijdens het bewegen lucht onder het voertuig zuigt. Het meten van wind met roterende wielen, in tegenstelling tot statische, maakt een groot verschil.
"We krijgen een veel realistischer beeld omdat we zowel de rolweerstand kunnen meten als de kracht die nodig is om de wielen en alles wat meedraait aan te drijven. We kunnen de auto ook afremmen om steile hellingen of zwaar slepen te simuleren. Op die manier kunnen we de koelsystemen echt op de proef stellen", legt Max Sundén uit, specialist in energie-efficiëntie bij Volvo Cars.
Alle resultaten worden zorgvuldig geanalyseerd en vergeleken met tests die zowel in computermodellen als in de echte wereld zijn uitgevoerd. Al die gegevens samen vormen een gigantische datapuzzel. Slechts één dag in de windtunnel kan bestaan uit honderd verschillende configuraties, en tests op een nieuw model worden gedurende meerdere jaren uitgevoerd.
"Gemiddeld verminderen we de luchtweerstand van een voertuig met meer dan tien procent. Voor EV's is dit nog belangrijker, want als je met 120 km/uur rijdt, wordt tweederde van de batterijlading verbruikt door de luchtweerstand. Op dit gebied werken we nauw samen met het ontwerpteam. Er kunnen kleine details zijn, zoals de contouren van de achterlichten of buitenspiegels, die moeten worden aangepast", vertelt Kaveh Amiri, aerodynamica-ingenieur bij Volvo Cars.
Het is tijd om de windtunnel in werking te ervaren. Daniel geeft een seintje naar de meldkamer en er gaat een alarm af. We horen een laag gerommel, waarna een licht briesje opsteekt en snel toeneemt tot een constante druk tussen de muren. De wind waait met slechts 30 km/uur, zo'n 9 m/s, maar door de compacte stroming voelt het als meer.
Onze haren waaien omhoog, papier dwarrelt weg.
"Je kunt 70 km/uur weerstaan, maar je moet jezelf wel zekeren met veiligheidskoorden", roept Daniel, zijn baard wapperend in de wind. "Als we de ventilator maximaal aanzetten, draait hij op ongeveer 10 MW per uur. Dat is het jaarlijkse verbruik van een klein vrijstaand huis in Zweden. Gelukkig besparen de tests uiteindelijk ook enorm veel energie. Persoonlijk kan ik geen genoeg krijgen van de tunnel. Het volgen en verbeteren van een nieuw voertuig, vanaf de allereerste schets, is een echte sensatie."
