vrijdag 29 maart 2013

Theorie achter stormstrips


Naar aanleiding van een discussie bij een blog over de harde wind de laatste tijd, vroeg Brandweer zich af of de positieve effecten van een stormstrip te verklaren zijn. Bij deze een poging.

Allereerst:

1- Dit is geen volledige aerodynamische theorie. Ik probeer twee richtingen aan te geven waarin het probleem van de stormstrip kan worden opgelost: via vector-analyse van de krachten op de velomobiel en via drukverschillen. Ik probeer expres weg te blijven bij allerlei formules.

2- Ik ben geen specialist in aerodynamica. Als er iemand wetenschappelijk onderlegde feedback heeft dan is hij/zij van harte welkom. Aerodynamica is een verradelijk vakgebied. Zo verwijs ik graag naar de Wiki site waarin lift van een vleugel wordt uitgelegd: http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force). Dan blijkt uit het flow-filmpje dat luchtpakketjes boven de vleugel zoveel sneller gaan dan eronder dat ze veel eerder van de achterzijde afvloeien dan de pakketjes onder de vleugel, ook al hebben ze een langere weg af te leggen. Populair-wetenschappelijke uitleg beweert vaak dat de pakketjes tegelijk van de vleugel af moeten vloeien. Onzin natuurlijk, maar dat is gemakkelijk gezegd achteraf.

3- Voor de driedubbelovergehaalde landrotten onder de lezers:
Loef = de kant waar de wind vandaan komt
Lij = de kant waar de wind naartoe gaat.


Bij harde zijwind treden er drie problemen op, zie figuur 1, valwind:
1- De velomobiel wordt opzij gedrukt en raakt zo uit koers: rode pijl.
2- Als er teveel wind onder de velomobiel komt, bijv. bij valwind rond een gebouw, dan wordt ze omver gekiept bij de loefzijde: grijze draaiende pijl.
3- Als loef eenmaal een stuk omgekomen is, kan de hele fiets opgetild worden en wegwaaien: zwarte pijl.

Even een spektakel tekeningetje gemaakt om nog maar eens te waarschuwen voor valwinden bij hoge gebouwen. Op een gegeven moment helpt ook een stormstrip niet meer.



Rechtsboven in figuur 2A heb ik een paar maten opgegeven. De hoogte van de body van Magic Bullet is bij de voorwielen 64cm. Een stormstrip schat ik op een hoogte van ~4mm. De hoogte van de body neemt dus maar 0.6% toe, verwaarloosbaar. Dit is belangrijk verderop in het betoog. Verder heb ik de body van een velomobiel in de figuren vereenvoudigd tot een cirkel. De onderzijde van een velomobiel is echter vlak. Door deze vorm wordt een velomobiel minder makkelijk opgetild door de wind dan de tekeningen suggereren.

In figuur 2A is meer te zien. Als een velomobiel aan zijwind onderhevig is, dan wordt de wind door de velomobiel gesplitst in een stroom onder de fiets door en 1 eroverheen. Met andere woorden, een deel van de lucht wordt omlaag geduwd en een ander deel omhoog. In het geval van een stormstrip krijgt de omhoog gesplitste wind nog een extra zet omhoog van de stormstrip.

In figuur 2B kijken we naar de krachten die deze luchtstromen veroorzaken. De body duwt tegen de wind, rode stippelpijltjes. Actie is reactie, dus de wind duwt even hard tegen de body. Zonder stormstrip levert dat hoofdzakelijk een zijwaartse kracht op. De neerwaartse en opwaartse krachten heffen elkaar immers grotendeels op. In het geval van de stormstrip zal deze zijwaartse kracht hooguit 0.6% toenemen, verwaarloosbaar, zie boven. Een veel groter verticaal effect treedt op omdat de wind daar vooral opgetild wordt en de velomobiel dus naar beneden geduwd wordt. Meer druk op de wielen levert direct een hogere koersstabiliteit op.

Figuur 2C laat bovendien zien dat er met een stormstrip meer kracht nodig is om de wielen op te wippen.

Figuur 2 is eigenlijk een half verhaal. We kijken immers alleen naar wat er gebeurt aan loef. Door naar drukverschillen te kijken, kan ik aangeven wat er aan lij gebeurt.



In figuur 3A is te zien dat er aan loef overdruk heerst en aan lij onderdruk. Een stormstrip brengt een scherpere scheiding aan, waardoor er overdruk bovenop de body ontstaat aan loef en onderdruk aan lij, bovenop de body.

Bovendien blijkt dat er een groter oppervlak aan loef ontstaat met overdruk en aan lij met onderdruk. Er valt te argumenteren dat de totale kracht aan lij ongeveer gelijk blijft. De zijwaartse kracht neemt dan af. Immers, een deel van de kracht wordt opwaarts gericht. Nu geldt bovendien P=F/A, ofwel druk is kracht per oppervlak. Omdat het oppervlak toeneemt maar de kracht gelijk blijft, neemt de druk af.  Theoretisch maakt het niet uit, de totale kracht blijft immers gelijk, maar praktisch betekent dit misschien toch iets rustiger rijgedrag.

Nu blijkt in figuur 3B dat de downforce vooral aan loef zit, waar je hem ook wilt hebben. Aan lij zal wellicht wat upforce zijn. De stormstrip zorgt dus voor een draaiing waarbij de loef omlaag gedrukt wordt, net als hangen aan de hoge loefzijde van een zeilbootje. Hierdoor beperkt de stormstrip de kracht van de wind waarbij de loefzijde juist omhoog gedraaid wordt, figuur 3C.


Discussie
Metingen en aerodynamische experts kunnen deze ideeen wellicht verder onderbouwen of ontkrachten. Een compleet alternatieve benadering kan zijn dat de stormstrip er voor zorgt dat de velomobiel makkelijker door de wind 'snijdt'. In plaats van dwars over de fiets heen te gaan, zou de wind dan meer naar achteren wegvloeien. Vooral bij aandewindse koersen ten opzichte van de schijnbare wind kan ik me daar wat bij voorstellen. Dat zou betekenen dat de stormstrip vooral werkt als je hard fietst...Zonder harde data of theorie durf ik geen oordeel te vellen over dit idee.


Conclusie
De stormstrip zorgt voor een hogere wieldruk aan loef en daardoor voor meer koersstabiliteit. Aan lij vermindert de zijwaartse kracht wellicht enigszins, ook meer stabiliteit. Een deel van de windkracht wordt immers gebruikt voor upforce aan lij.
Dit geheel resulteert in minder snel 'pootje lichten' van het loefwiel, de eerste fase van omslaan en/of wegwaaien.'




19 opmerkingen:

  1. Dag Magic Bullet,
    Heel interessante uitleg en mooi gedocumenteerd.
    Mijn ervaring is dat de winddruk onder de fiets er bijna niet toe doet. De winddruk op wegniveau is veel lager dan op een halve meter hoogte. Onder de fiets wordt eerst de lucht gecomprimeerd en aan lijzijde ontstaat verdunning omdat daar de wind weer vrij kan stromen.
    De ontbindende kracht is gering maar wel vrijwel dwars op de rijrichting.

    Veel belangrijker is de wind die boven over de romp strijkt. Zonder stormstrip gaat deze een heel eind over de kap, verdunt dan heel sterk tot een grote onderdruk. Dit levert een groot kantelend koppel op omdat het hoog aangrijpt.
    De stormstrip, de vorm moet bij voorkeur een profiel zijn met een hoek van 90 graden, breekt de windstroom bovenop de romp af en voorkomt dat deze aan de lijzijde verdunt. Het hellend koppel blijft dan ook vrijwel achterwege.
    Voorheen was kantelen een onverwachte verrassing. Met de stormstrip voel je wel de zijdelingse druk die met opsturen kan worden gepareerd.

    Al met al geeft de stormstrip tot rond 1,5 Bft meer veiligheid. Betekent dus dat er nog steeds bij harde wind grenzen zijn. Ik ben bij Bft 7 tot 8 wel eens met beide over de weg schuivende voorwielen naar de zijkant van de weg gedrift. Remmen en de snelheid daarna laag houden laat je dan veilig thuiskomen.
    Groeten,
    Wim

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Mooie aanvulling over wat er aan de onderkant gebeurt.
      Minder hellend koppel, inderdaad.
      Groet

      Verwijderen
    2. eaufort is geen lineaire schaal. 1,5 Bft kan bij hoge windsnelheden dus een veel te hoge schatting zijn, terwijl het bij lagere windsnelheden prima kan kloppen. Zo durf ik met Magic Bullet zonder stormstrip hier in het oosten tot een lage 6 te gaan, maar ik verwacht niet dat 7-8 ooit verstandig wordt.

      Verwijderen
    3. Nog opmerking. De dijk is de winddruk op het wegdek inderdaad heel laag. Bij valwinden langs gebouwen is het dus een heel ander verhaal, daar is de winddruk op het wegdek extreem hoog.

      Verwijderen
  2. I guess my question is from my lack of experience. So far since I have owned my Quest XS my experience with wind has always had snow blowing with it. Is the Quest XS affected the same way as the larger Quest in the stronger winds? Are some velomobiles better in the wind than others?

    BeantwoordenVerwijderen
  3. I'm not a multi-velomobile-in-wind expert either, but in general, the lower the side surface and the lower the velomobile, the less problems with side winds. Shape also plays a role, less surface in fron or behind the wheel axes is better: less momentum side ways. This would be my order for the Quest family:
    1- Mango, shortest, 20inch
    2- Strada, nearly as short, 26 inch rear, so a bit more lifted in de rear.
    3- Quest XS and Old Quest 20inch. XS is smaller, but has 26 inch rear.
    4- 26 inch Quest

    I believe it was Brandweer who reported a large difference between the 20 inch and the 26 inch Quest. The20 inch driving with a tank- like stability and the 26inch being very nervous. So, it could be that it is the 26 inch Quest is the less stable one, whereas the rest might be very similar in side winds. I didn't experience any difficulties with my ultra light Mango Sport to date. But it was not tested to the fullest in side winds yet.

    Forgot to mention: a wider wheel base in the fron helps. This is in favor of the Mango and Strada, and reduces Quest stability.

    BeantwoordenVerwijderen
  4. Magic Bullet heeft/had BrandweerQuest geen 3 x 26 inch ?

    Hij had volgens mij een heel speciaal prototype ;-)

    Zoals ik al eerder betoogde zorgt de strip dat er onmiddelijk al turbulentie achter de strip onstaat en daar de huid van de vm al loslaat. Gevolg is een iets minder sterk zog en dus minder drukverschil aan beide zijden.

    Hoewel van een ander principe hebben vliegtuigvleugels aan de voorzijde ook intrekbare 'leading edge slats' om drukverschillen te vergroten of verkleinen.

    BeantwoordenVerwijderen
  5. 3x 26 prototypo? Ik weet het niet. Misschien kan brandweer zelf er iets over toelichten.
    Jouw verlaagde drukverschil heb ik geprobeerd aan te geven in fig 3A idd, waarin ik aangeef dat dat vooral een effect aan lij is. Turbulentie is een lastig begrip om in een statisch model te gebruiken, dus daar ben ik bij weg gebleven. Mijn figuren zijn immers een statische weergave...

    BeantwoordenVerwijderen
  6. (Ik moet het even in 2 delen doen)
    De discussie is goed dat er over nagedacht wordt. Met open vizier uiteraard.
    Zoals het vorig jaar verliep verharde standpunten en was er op zijn minsten enige blindheid voor het standpunt van anderen. Toch vond ik het zeer leerzaam uiteindelijk met alle inbreng.
    Ik was niet van plan mij er nogmaals in te mengen en alles weer op te rakelen. Ik mis die energie tegenwoordig.
    Mijn standpunt over de stormstrip is: Ik weet niet wat er allemaal achter zit hoe het precies werkt, maar feit is dat het voelbaar werkt. Met als kanttekening van mij, alleen op de staart en kap. Niet op de neus. Maar be my guest! Ieder zijn inzicht en mening.

    Ik heb idd een 3x26 inch prototype Quest (voorloper van alle 26 inch Questen nu) met open wielkasten voor. Bekent als BrandweerQuest. Hij is al 2 jaar met pensioen na 120.000 km
    Ik heb na aanleiding van die open wielkasten een quest gedaan naar betere aerodinamica op die plek. Want open wielkasten op juist die plek is voel en meetbaar in luchtweerstand. Effin. Daar gaat het hier nu niet over.
    In het verlengde daarvan heb ik wel enige kennis opgedaan van Aerodinamica. Aangevuld door lezingen op de dag Snel, sneller, snelst van de NVHPV in de TU Delft. En uiteraard het nodig zoeken op het www.

    Om het kort te houden(!), hier eerst de link naar de 'uitvinder' van de stormstrip Jan Reus.
    In een reactie op mijn test en theorie over de werking van 'zijn' stormstrip.
    http://reusjan.blogspot.nl/2012/01/vervolg-stormstrip.html?showComment=1327481143637#c1870089082435725589

    Verder kan je mijn verhaal uitgebreid lezen op mijn blog van vorig jaar.
    (onderaan beginnen.)
    http://brandweerquest.blogspot.nl/search/label/stormstrip
    Er staan vele leuke en leerzame links op over aerodinamica, de stormstriptest en de ontwikkeling van de Quest bij Velomobiel.nl
    Misschien heb je daar wat aan?

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. (Deel 2)
      De valwind van hoge gebouwen ben ik absoluut niet bang voor. Die heeft volgens mij geen enkel effect op de Quest.
      Het is meer de enorme snelheidsverhoging tussen de hoge gebouwen door die mij zorgen baart. Ze vallen de Quest gevaarlijk van opzij aan. Die kunnen simpelweg door het grote zij-oppervlak van de Quest een onverwacht, angstwekkend en soms zeer gevaarlijk uitpakken. Daar werd ik afgelopen zondag in Dronten weer eens mee geconfronteerd op de landelijk Ligfietsdag. Je wordt niet omgeblazen of opgetild maar simpelweg opzij geschoven. Met 3 slippende, voorwaarts rollende banden!
      Op een dijk is er wel spraken van een val wind van opzij. Alleen niet zoals jij bedoeld. De wind neemt daar lokaal aan kracht toe door het dijklichaam wat in de horizontale baan van de wind ligt. Op de top ervan fiets jij met je velomobiel. Net daar waar de windkracht even het sterkste is. De wind komt van ONDER af en tilt je fiets op. Hoe hoger het dijklichaam hoe groter de windkracht. Ook dat gebeurde mij afgelopen zondag. Stilstaand met ingeknepen remmen stond ik boven op een (hoge) brug over het water. Om een open ligger te helpen die daar ternauwernood kon lopen na een val, laat staan fietsen. Ik voelde plotsklaps mijn fiets aan de rechterkant lichter worden en hij ging op 2 wielen zijdelings schuiven. Ondanks stormstrippen! Ik ben snel voorwaarts uit de sterke luchtstroom gefietst (met achterlating van de open ligger....) Je moet wat. Ik had makkelijk, of op de drukke rijbaan geblazen kunnen worden, of om kunnen rollen, met alle schade van dien. Gelukkig had ik preventief flessen water aan lijzijde van de fiets onder mijn stoel gelegd als ballast. Dat kan net het verschil maken tussen angstig doorrijden of schade maken.

      Verder ben ik het grotendeels met Wim eens. Alleen bij meer dan 6-7 bfrt stap ik niet in mijn Quest. Ik hou een marge bij tijdelijk hogere windsnelheden zoals tussen gebouwen door. Dijken ontwijk ik bij voorkeur als het kan.
      De strada en QXS hebben standaard een streepje voor in de wind. Hun zijdelingse windgevoeligheid is minder dan de bij de Quest. Ze zijn beide korter (geen staart) en hebben een betere Muts acter de rijder. De QSX heeft van opzij gezien een lager profiel. Wat ook is te merken bij voorwaarts rijden zonder wind. De luchtstroom gaat ook zonder minivizier over de rijder heen door de andere neusvorm.

      En laat ik het hierbij wat commentaar betreft.
      Veel leerzaam plezier bij je onderzoek. Maar pas op voor bijennesten.....;-)

      Verwijderen
    2. Als jij ( en anderen ) in praktijk ander gedrag vaststelt met stormstrips dan neem ik dat van je aan. Jan Reus voor zover ik hem gesproken heb zegt bovendien niet zomaar wat.

      Toch is het nuttig van veel rijders de ervaringen te horen/lezen. Ik ben het bijvoorbeeld niet eens met veronderstelde snelheidswinst van driehoekige "wielkaststrips". Als ze al iets doen is het de vm ( een fractie ) langzamer maken. De theorie achter die bewering deugt ook niet.

      Die andere 'strips' die de wielkast kleiner maken is een ander pak mouwen. Dat valt onder gaten, kieren en spleten in de stroomlijn dichtmaken, wat altijd ( klein maar zeker ) succes heeft.







      Verwijderen
  7. @ brandweer. Laten we geen bijennesten maken, zinloos tijdsverdrijf. Ik ben juist op zoek naar andere inzichten, kan alleen maar leerzaam zijn. Zo heb ik weer wat geleerd over wind bij dijklichamen en valwinden. Toch precies andersom dan ik dacht. Maar verder geloof ik dat we er dezelfde ideeen op na houden vwb de stromstrip.
    @ quezzzt, ik heb ook zo mijn twijfels over wielkast strips die het frontaal oppervlak groter maken, juist ingegeven door een verfrissende blik daarover op 1 van jouw blogs.

    BeantwoordenVerwijderen
  8. Het schermer-schermpje voor het instapgat verbetert wel degelijk de stroomlijn en verhoogt merkbaar de snelheid. Toch maakt het ook het frontale oppervlak groter. Het gaat uiteindelijk om het netto resultaat. In mijn beleving werkt een wielkast strip op dezelfde manier.

    BeantwoordenVerwijderen
  9. Dat schermpje voorkomt ( deels ) dat lucht gaat wervelen in gat tussen rijder en vm. De wervelende lucht achter het schermpje wordt algauw opgevuld door romp en hoofd van de rijder. Het verschil is groot genoeg om het te merken. Die theorie is te onderbouwen bovenop dat het in praktijk werkt.

    Die 3 hoekige wielkaststrips echter maken de luchtstroom los van de VM nog voor de voorwielen zodat je niet optimaal kunt profiteren van een vooruitduwend ( neus hoge druk, staart lage druk ) drukverschil van laminaire luchtstroom langs de staart. Ook maak je idd het frontaal oppervlak wat groter. Het verschil met gewone open wielkasten is niet erg groot maar ik zag wel negatieve verschillen in snelheid.

    Wat een heel ander pak mouwen is, zijn die vlakke wielkaststrips die de wielkasten verkleinen tot bijna aan de band. Gaten, spleten en kieren dichtmaken in een stroomlijn geeft altijd positief resultaat.


    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. zonder de wk-strips komt de luchtstroom ook los van de body, erger nog, de luchtstroom slaat aantoonbaar IN de wielkast. Nogmaals...precies hetzelfde als het schermer=schermpje.

      Verwijderen
  10. Quezzzt,
    Jouw idee dat de 3-hoekige wielkaststrip niet effectief zou kunnen zijn deel ik niet. Deze strips werken precies hetzelfde als het minivizier. Beide systemen geleiden de lucht weg en over ernstig verstorende elementen verderop. Jouw aanname over een vooruitduwend effect en een laminaire luchtstroom langs de staart kloppen sowieso niet. Bij een Quest, en ook alle andere huidige velomobielen, is er slechts sprake van een laminaire luchtstroom tot aan het breedste deel van de fiets. Dit is dus ter hoogte van de voorwielen. Daarna is er alleen nog maar een turbulente luchtstroom.
    Ik rij nu twee winters met alleen de voetenstrips. Hetzelfde gunstige effect.
    Daarom hebben recordfietsen, evenals de VeloTilt, hun grootste breedte achteraan de fiets. Tot daar blijft de luchtstroom laminair en dat scheelt een slok op een borrel.
    Groeten,
    Wim

    BeantwoordenVerwijderen
  11. Zoals ik mijn betoog al begon, is aerodynamica een verradelijk vakgebied waar gemakkelijk misvattingen optreden.
    @Quezzzt luchtweerstand zal nooit, maar dan ook nooit voortstuwend werken. Dan zouden we immers een perpetuum mobile hebben uitgevonden. Hooguit is luchtweerstand in het ene geval lager dan in het andere.
    @L@r3ntz (jeetje wat een lastige naam op de iPad ;-)) Het verschil tussen het scherm en de wielkast profielen is dat het ideale scherm niet bijdraagt aan het frontaal oppervlak, maar wel de luchtstroom verbetert. Wielkastprofielen doen het frontaal oppervlak wel een klein beetje toenemen. Wat je overhoudt is de vraag of in praktische omstandigheden (zijwind) de verbetering nog wel zo groot is dat het de toename in frontaal oppervlak compenseert. Quezzzt' betoog dat het dichtplakken van alle gaten en kieren eigenlijk een betere oplossing is klopt in dat opzicht.
    @ Wim, Strips rond de trapgaten hebben denk ik meer effect in de praktijk dan wielgat strips, ivm minder effect van zijwind. Toch geldt ook hier dat dichtplakken nog beter zou moeten zijn, maar ook minder praktisch. De grootste breedte achterin de velotilt had ik inderdaad opgemerkt, heel mooi. En weer wat geleerd, nl dat er turbulente luchtstroom langs het smaller wordende deel van de Quest gaat. Als er 1 velomobiel was waar ik dat niet had verwacht...immers, er zijn genoeg lichamen waarbij er ook langs het smaller wordende deel laminaire luchtstroom blijft. Zie link over lift vd vleugel aan het begin van mijn post.
    Maar goed, we dwalen af.

    BeantwoordenVerwijderen
  12. @ brandweer. Zit ik een heel verhaal te schrijven over de mogelijke effect van een stormstrip, heeft brandweer al meer dan een jaar geleden een hele serie tests gedaan met windverklikkers. Eigenlijk ondersteunen die aardig mijn theorie. Ik heb expres het bijennest eronder niet gelezen, maar wat mij vooral opvalt is dat brandweer andere conclusies trekt uit het filmpje dan ik. Als je met een zeilbootje een dusdanige verstoring van de laminaire flow ziet in je zeilen, dan voel je dat direct: de snelheid is helemaal uit je boot. Het effect bovenop vind ik juist enorm voor zo'n piepklein stripje, maar het werkt natuurlijk alleen 10-20cm naast de strip, aan loef en aan lij is dat samen dtoch 30pct van het oppervlak boven.
    Wat zien we: de 1e rij verklikkers aan lij zit duidelijk in de turbulentie. De 1e rij aan loef wordt in de verklikker geperst. Precies het gewenste effect. Brandweer ziet geen turbulentie aan zijkant als hij harder fietst, terwijl ik dat wel teken. Dat verschil is logisch. 5 bft is 29-38 km/h. Als Brandweer meer dan 38km/h heeft gereden dan is het een sterk aan de windse koers geworden (minder dan 45 graden) ten opzichte van de schijnbare wind. En dat is de wind die er toe doet. Heel wat zeilschepen kunnen niet zo hoog aan de wind varen. Al met al heel interessante data, maar de interpretatie zie ik genuanceerder dan brandweer.

    BeantwoordenVerwijderen
  13. Zoals gezegd doe ik niet mee met de discussie.
    Op je verzoek mijn beeld materiaal te gebruiken, prima, geen moeite mee.
    Hier nog een link die je ook beslist gezien moet hebben.
    http://wimschermer.blogspot.nl/2012/01/spectaculaire-uitkomsten-aerodynamische.html
    Misschien zit daar beter foto materiaal bij voor je onderzoek.

    BeantwoordenVerwijderen