ir. Maarten Klapwijk wint Kooy Prijs!

Het afstudeerverslag 'Modeling of the exhaust plume of a submerged exhaust system: A numerical analysis of a submarine exhaust' bleek de beste van acht inzendingen.

Tijdens het Kooy Symposium op 11 april is de Kooy Prijs uitgereikt aan Maarten Klapwijk (23). Tijdens zijn afstuderen aan de TU Delft (Master Marine Technology), heeft hij onderzoek gedaan naar de nauwkeurigheid waarmee de verstoring van het wateroppervlak is te voorspellen als gevolg van stijgende uitlaatgassen die dieselelektrische onderzeeboten uitstoten. Het eindresultaat van zijn onderzoek is een rapport waarmee hij cum laude is afgestudeerd en dat onder andere aangeeft op welke manier bestaande CFD (Computational Fluid Dynamics) software moet worden gebruikt om een zo betrouwbaar mogelijke simulatie te doen.

De Koninklijke Marine werkt momenteel met vier dieselelektrische Walrusklasse onderzeeboten waarvan de elektromotoren worden ingezet wanneer zij onder water varen. Met behulp van de dieselmotoren worden de voor de elektrische aandrijving benodigde accu’s opgeladen. Dit gebeurt terwijl de vaartuigen op periscoopdiepte varen. Tijdens het opladen wordt er lucht via een snorkelpijp ingenomen terwijl de uitlaatgassen aan de achterzijde van de toren, onder water worden uitgestoten en daar het oppervlak verstoren. Deze uitlaatgassen en bijbehorende verstoringen hebben om twee redenen de aandacht van defensie. Ten eerste beperken ze het zicht door de periscoop waarmee de operationele veiligheid in gevaar komt. Daarnaast kunnen deze grote verstoringen eventueel zichtbaar zijn op de radar waarmee eveneens een veiligheidsrisico ontstaat.

In het kader van de ontwikkeling van nieuwe onderzeeboten is defensie derhalve geïnteresseerd in een numeriek model waarmee de verstoringen zijn te simuleren waarbij bovendien bekend is hoe betrouwbaar de uitkomsten zijn.

Het onderzoek
Maarten Klapwijk ging graag met dit vraagstuk aan de slag. “Ik wist al eerder dat ik iets met computersimulaties voor stromingsleer wilde doen en heb dan ook ruim voorafgaand aan mijn afstuderen verschillende bedrijven en organisaties aangeschreven; waaronder defensie. Het toeval wilde dat de Defensie Materieel Organisatie (DMO) in deze tijd mijn hoogleraar had benaderd met ‘een interessante opdracht voor een afstudeerder’. Het contact was toen snel gelegd en ik kon aan de slag.”

Zijn onderzoek voerde hij uit in samenwerking met DMO bij het Laboratorium voor Aero- en Hydrodynamica aan de TU Delft waarbij hij werd begeleid door Prof.dr.ir. T. van Terwisga, Ir. G.M. Rotte, Dr. M.J.B.M. Pourquie, Ir. B. Nienhuis, Ir. M.S. Kerkvliet en Dr.ir. M.I. Gerritsma. Maarten maakte voor zijn onderzoek gebruik van de CFD code ReFRESCO van het MARIN om de numerieke voorspellingen te kunnen doen van de eerder genoemde oppervlakteverstoringen.

Het project werd opgedeeld in twee delen. In het eerste deel bestudeerde Maarten een vereenvoudigd probleem waarmee hij de fysische eigenschappen van het probleem in kaart bracht en modelleerde. Op deze manier heeft hij uitgezocht welke factoren van belang zijn bij het simuleren van de verstoringen. Vervolgens moest hij deze valideren. “Er waren op dat moment weinig bruikbare gegevens waarmee we de software konden testen. De onderzeeboten die nu worden gebruikt – de Walrusklasse – zijn bijna dertig jaar oud en de meest recente niet geclassificeerde beelden en experimenten kwamen dan ook uit die tijd. Toch zijn ze waardevol gebleken omdat je hiermee uiteindelijk kunt valideren of de resultaten uit de simulaties met de gekozen instellingen overeen komen met de werkelijkheid.”

Eindresultaat
Eén van de eindconclusies luidde dat de geschatte onzekerheid in de berekende verhoging van het oppervlak 15% bedraagt. Verder is zowel in de experimenten als in de simulaties een pulserend gedrag waargenomen in de stijgende lucht dat voor een extra verstoring aan de oppervlakte zorgt. De simulaties zijn gevalideerd met experimentele gegevens van het MARIN.

Breed toepasbaar
Hoewel Maarten zijn onderzoek in opdracht van de DMO heeft uitgevoerd, zijn de resultaten ervan breder toepasbaar. “Dat is zeker een mooie bijkomstigheid van dit project. We hebben er bewust aandacht aan besteed dat het geen geheim rapport zou worden, hierdoor is het ook te gebruiken door andere bedrijven en kan ik hiermee als wetenschapper naar buiten treden. Zo heb ik het werk inmiddels ook gepresenteerd op een wetenschappelijk symposium. Dat de defensienota verder heeft aangegeven dát er nieuwe onderzeeboten gebouwd gaan worden, maakt het alleen nog maar mooier.

Het winnen van de Kooy Prijs kwam als complete, maar zeer positieve verrassing. Natuurlijk wist ik dat het werk niet slecht was; ik ben afgestudeerd met een 9, maar ik kan me voorstellen dat er meer goede inzendingen zijn.”

Oordeel van de jury
De Kooy Prijs jury bestond dit jaar uit de heren Dr. L. Koene (Bestuur KIVI-DV en juryvoorzitter, NLDA), Ing. L.F. Galle (Ministerie van Defensie, Directie Materieel), Prof.dr.ir. PHAJM van Gelder (TU Delft), Prof. dr. ir. F.E. van Vliet (TNO, Universiteit Twente) en Prof. dr. ir. P.J. Oonincx (NLDA). Zij beoordeelden eind 2017 een achttal inzendingen.

Voorzitter Bart Koene geeft aan: De acht inzendingen waren zonder uitzondering van hoge kwaliteit maar de bijdrage van Maarten - Modeling of the exhaust plume of a submerged exhaust system: A numerical analysis of a submarine exhaust – is bijna unaniem gekozen. Discussie was vervolgens niet meer nodig.”

Foto vlnr: Jan Wind (voorzitter KIVI DV), Dr. Bart Koene (voorzitter jury), Maarten Klapwijk (winnaar) Prof.dr.ir. Pieter van Gelder (TU Delft, jurylid), Prof.dr.ir. Frank van Vliet (TNO, UTwente, jurylid), Prof.dr.ir. Patrick Oonincx (NLDA, jurylid).