Αεροδυναμική σήραγγα

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Πήδηση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
Αεροδυναμική σήραγγα της NASA με μοντέλο αεροπλάνου.
Ένα μοντέλο Cessna με φυσαλίδες γεμάτες ήλιο που δείχνουν την ροή του αέρα στις πτέρυγες.

Μια αεροδυναμική σήραγγα είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται στην αεροδυναμική έρευνα για να μελετήσει τις επιπτώσεις του αέρα που κινείται γύρω από τα στερεά αντικείμενα. Μια αεροδυναμική σήραγγα αποτελείται από ένα σωληνοειδές πέρασμα με το υπό δοκιμή αντικείμενο τοποθετημένο στη μέση. Ο αέρας κινείται κατά μήκος του αντικειμένου μέσω ενός ισχυρού συστήματος ανεμιστήρων ή άλλων μέσων. Το υπό δοκιμή αντικείμενο, που συχνά ονομάζεται μοντέλο αεροδυναμικής σήραγγας, είναι εξοπλισμένο με κατάλληλους αισθητήρες για τη μέτρηση των αεροδυναμικών δυνάμεων, της κατανομής πίεσης ή άλλων αεροδυναμικών χαρακτηριστικών.

Οι πρώτες αεροδυναμικές σήραγγες επινοήθηκαν στα τέλη του 19ου αιώνα, στις πρώτες ημέρες της αεροναυτικής έρευνας, όταν πολλοί επιχείρησαν να αναπτύξουν επιτυχημένες βαρύτερες από αέρα ιπτάμενες μηχανές. Η αεροδυναμική σήραγγα θεωρήθηκε ως ένα μέσο αναστροφής του συνηθισμένου παραδείγματος: αντί του ασταθούς αέρα και ενός αντικειμένου που κινείται με ταχύτητα μέσα από αυτό, το ίδιο αποτέλεσμα θα προέκυπτε εάν το αντικείμενο ήταν ακίνητο και ο αέρας κινούνταν με ταχύτητα κατά μήκος αυτού. Με αυτόν τον τρόπο ένας σταθερός παρατηρητής θα μπορούσε να μελετήσει το ιπτάμενο αντικείμενο σε δράση και θα μπορούσε να μετρήσει τις αεροδυναμικές δυνάμεις που ενεργούνται σε αυτό.

Η ανάπτυξη αεροδυναμικών σηράγγων συνέβαλε στην ανάπτυξη του αεροπλάνου. Μεγάλες αεροδυναμικές σήραγγες κατασκευάστηκαν κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου. Οι δοκιμές στις αεροδυναμικές σήραγγες θεωρήθηκαν στρατηγικής σημασίας κατά την ανάπτυξη των υπερηχητικών αεροσκαφών και βλημάτων κατά την διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου.

Μεταγενέστερα, η μελέτη των αεροδυναμικών σηράγγων αναπτύχθηκε: οι επιδράσεις του ανέμου στις ανθρώπινες δομές ή τα αντικείμενα έπρεπε να μελετηθούν όταν τα κτίρια απέκτησαν μεγάλο ύψος παρουσιάζοντας μεγάλες επιφάνειες στον άνεμο και οι δυνάμεις που προέκυπταν έπρεπε να αντισταθούν από την εσωτερική δομή του κτιρίου. Ο προσδιορισμός τέτοιων δυνάμεων ήταν απαραίτητος προτού οι πολεοδομικοί κώδικες προσδιορίσουν την απαιτούμενη αντοχή αυτών των κτιρίων ενώ οι δοκιμές αυτές εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται για μεγάλα ή ασυνήθιστα κτίρια.

Πολύ μεταγενέστερα, οι δοκιμές σε αεροδυναμικές σήραγγες εφαρμόστηκαν στα οχήματα, όχι τόσο για τον προσδιορισμό των αεροδυναμικών δυνάμεων, αλλά για τον προσδιορισμό τρόπων μείωσης της ισχύος που απαιτείται για την κίνηση του οχήματος σε οδοστρώματα με δεδομένη ταχύτητα. Σε αυτές τις μελέτες, η αλληλεπίδραση μεταξύ του δρόμου και του οχήματος διαδραματίζει σημαντικό ρόλο, και αυτή η αλληλεπίδραση πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ερμηνεία των αποτελεσμάτων των δοκιμών. Σε πραγματικές συνθήκες, ο δρόμος κινείται σε σχέση με το όχημα, αλλά ο αέρας είναι ακίνητος σε σχέση με το οδόστρωμα, αλλά στην αεροδυναμική σήραγγα ο αέρας κινείται σε σχέση με το οδόστρωμα, ενώ ο δρόμος είναι ακίνητος σε σχέση με το δοκιμαστικό όχημα. Ορισμένες αεροδυναμικές σήραγγες αυτοκινητοβιομηχανιών έχουν ενσωματώσει κινούμενες ζώνες κάτω από το δοκιμαστικό όχημα σε μια προσπάθεια να προσεγγίσουν την πραγματική κατάσταση και πολύ παρόμοιες συσκευές χρησιμοποιούνται σε δοκιμές αεροδυναμικών σηράγγων για την εξέταση των αεροσκαφών όταν απογειώνονται ή προσγειώνονται.

Οι δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας σε αθλητικό εξοπλισμό έχουν επίσης αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια, συμπεριλαμβανομένων μπαστουνιών γκολφ, μπαλών του γκολφ, κρανών για bobsled, ποδηλάτες και οδηγούς αγωνιστικών αυτοκινήτων. Η αεροδυναμική του κράνους είναι ιδιαίτερα σημαντική στα αγωνιστικά αυτοκίνητα με ανοιχτό cockpit (Indycar, Formula One). Μεγάλες δυνάμεις ανύψωσης στο κράνος μπορούν να προκαλέσουν σημαντική πίεση στο λαιμό του οδηγό και ο διαχωρισμός ροής στην πίσω πλευρά του κράνους μπορεί να προκαλέσει χτυπήματα και συνεπώς προβλήματα όρασης για τον οδηγό σε υψηλές ταχύτητες.[1]

Η πρόοδος στη μοντελοποίηση μέσω της υπολογιστικής δυναμικής ρευστότητας (CFD) σε ψηφιακούς υπολογιστές υψηλής ταχύτητας έχει μειώσει τη ζήτηση για δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας. Ωστόσο, τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης CFD εξακολουθούν να μην είναι απολύτως αξιόπιστα και οι αεροδυναμικές σήραγγες χρησιμοποιούνται για την επαλήθευση των προβλέψεων της CFD.[2]

Μετρήσεις αεροδυναμικών δυνάμεων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ταχύτητα και οι πιέσεις του αέρα μετριούνται με διάφορους τρόπους στις αεροδυναμικές σήραγγες.

Η ταχύτητα του αέρα στο τμήμα δοκιμής καθορίζεται από το νόμο του Μπερνούλι. Η μέτρηση της δυναμικής πίεσης, της στατικής πίεσης και (μόνο για συμπιεστή ροή) της θερμοκρασίας αυξάνονται στη ροή του αέρα. Η κατεύθυνση της ροής του αέρα γύρω από ένα μοντέλο μπορεί να προσδιοριστεί με δέσμες νημάτων προσαρτημένες στις αεροδυναμικές επιφάνειες. Η κατεύθυνση της ροής του αέρα που προσεγγίζει μια επιφάνεια μπορεί να οπτικοποιηθεί με την τοποθέτηση των νημάτων στη ροή του αέρα μπροστά και πίσω από το μοντέλο δοκιμής. Καπνός ή φυσαλίδες υγρού μπορούν να εισαχθούν στη ροή αέρα πριν από το μοντέλο δοκιμής και η ροή τους γύρω από το μοντέλο μπορεί να φωτογραφηθεί.

Οι αεροδυναμικές δυνάμεις στο μοντέλο δοκιμής συνήθως μετρώνται με δέσμες κυμάτων, που συνδέονται με το μοντέλο δοκιμής μέσω δοκών, χορδών ή καλωδίων.

Οι κατανομές πίεσης σε ολόκληρο το μοντέλο δοκιμής έχουν ιστορικά μετρηθεί με τη διάνοιξη πολλών μικρών οπών κατά μήκος της διαδρομής της ροής του αέρα και τη χρήση μανόμετρων με πολλαπλούς κυλίνδρους για τη μέτρηση της πίεσης σε κάθε οπή. Οι κατανομές πίεσης μπορούν να μετρηθούν ευκολότερα με τη χρήση βαφής ευαίσθητης στην πίεση, όπου η υψηλότερη τοπική πίεση υποδεικνύεται από τον μειωμένο φθορισμό του χρώματος στο σημείο αυτό. Οι κατανομές πίεσης μπορούν επίσης να μετρηθούν εύκολα με τη χρήση ζωνών πίεσης οι οποίες είναι ευαίσθητες στην πίεση, μια πρόσφατη εξέλιξη στην οποία πολλαπλές μονάδες αισθητήρα πίεσης εξαιρετικά μικρού μεγέθους είναι ενσωματωμένες σε μια εύκαμπτη λωρίδα. Η λωρίδα συνδέεται στην αεροδυναμική επιφάνεια με ταινία και στέλνει σήματα που απεικονίζουν την κατανομή της πίεσης κατά μήκος της επιφάνειάς της.[3]

Οι κατανομές πίεσης σε ένα δοκιμαστικό μοντέλο μπορούν επίσης να προσδιοριστούν διενεργώντας μια έρευνα αφύπνισης, στην οποία είτε ένας μόνο σωλήνας χρησιμοποιείται για τη λήψη πολλαπλών αναγνώσεων κατάντη του μοντέλου δοκιμής, είτε ένα μανόμετρο πολλαπλών σωλήνων είναι τοποθετημένο κατάντη από όπου λαμβάνονται οι ενδείξεις.[4]

Οι αεροδυναμικές ιδιότητες ενός αντικειμένου δεν μπορούν να είναι εξ ολοκλήρου ίδιες σε ένα κλιμακωτό μοντέλο.[5] Ωστόσο, παρατηρώντας ορισμένους κανόνες ομοιότητας, μπορεί να επιτευχθεί μια πολύ ικανοποιητική αντιστοιχία μεταξύ των αεροδυναμικών ιδιοτήτων ενός κλιμακωτού μοντέλου και ενός αντικειμένου πλήρους μεγέθους. Η επιλογή των παραμέτρων ομοιότητας εξαρτάται από το σκοπό της δοκιμής, αλλά οι πιο σημαντικές συνθήκες που πρέπει να ικανοποιηθούν είναι συνήθως:

  • Γεωμετρική ομοιότητα: όλες οι διαστάσεις του αντικειμένου πρέπει να κλιμακώνονται αναλογικά.
  • Αριθμός Μαχ: ο λόγος της ταχύτητας του αέρα προς την ταχύτητα του ήχου πρέπει να είναι ο ίδιος για το κλιμακωτό μοντέλο και το πραγματικό αντικείμενο (ο ίδιος αριθμός Μαχ σε μια αεροδυναμική σήραγγα και γύρω από το πραγματικό αντικείμενο δεν είναι ίσος με την ίδια ταχύτητα του αέρα)
  • Αριθμός Reynolds: ο λόγος των δυνάμεων αδράνειας προς τις ιξώδεις δυνάμεις πρέπει να διατηρείται ίσος. Αυτή η παράμετρος δεν ικανοποιείται εύκολα σε ένα κλιμακωτό μοντέλο και έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη υπόγειων και κρυογενών αεροδυναμικών σηράγγων στις οποίες το ιξώδες του κινούμενου ρευστού μπορεί να μεταβληθεί σε μεγάλο βαθμό για να αντισταθμιστεί η μειωμένη κλίμακα του μοντέλου.

Σε ορισμένες περιπτώσεις συγκεκριμένων δοκιμών, πρέπει να πληρούνται και άλλες παράμετροι ομοιότητας, όπως ο αριθμός Froude.

Ιστορικά στοιχεία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Προέλευση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο Άγγλος στρατιωτικός μηχανικός και μαθηματικός Μπέντζαμιν Ρόμπινς (1707–1751) εφηύρε μια συσκευή περιστρεφόμενου βραχίονα για να προσδιορίσει την αντίσταση[6] πραγματοποιώντας μερικά από τα πρώτα πειράματα στην ιστορία της αεροπορίας.

Ο Σερ Τζορτζ Κέιλι (1773–1857) χρησιμοποίησε επίσης έναν περιστρεφόμενο βραχίονα για να μετρήσει την αντίσταση και την άντωση διάφορων αεροτομών.[7] Ο βραχίονας του είχε μήκος 1,5 μέτρο και είχε ταχύτητα 3 με 6 m/s. Ο Ότο Λίλιενταλ χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο βραχίονα για να μετρήσει με ακρίβεια τις πτέρυγες σε διάφορες γωνίες προσβολής, καθιερώνοντας το πολικό διάγραμμα του λόγου άντωσης προς αντίσταση, αλλά είχε ελλείψεις στην αντίληψη για την επαγόμενη αντίσταση και τους αριθμούς Reynolds.[8]

Αντίγραφο της αεροδυναμικής σήραγγας των αδελφών Ράιτ
Οι αεροδυναμικές σήραγγες του Άιφελ στο εργαστήριο του Ωτέιγ

Ωστόσο, ο βραχίονας περιστροφής δεν παράγει επαρκή ροή αέρα η οποία να προσκρούει στο μοντέλο δοκιμής υπό κανονική πρόσπτωση. Οι φυγόκεντρες δυνάμεις και το γεγονός ότι το αντικείμενο κινείται από μόνο του σημαίνει ότι είναι δύσκολη η λεπτομερής εξέταση της ροής του αέρα. Ο Φράνσις Χέρμπερτ Ουένχαμ (1824–1908), μέλος του Συμβουλίου της Αεροναυτικής Εταιρείας της Μεγάλης Βρετανίας, διευθέτησε τα ζητήματα αυτά με το να εφεύρει, να σχεδιάσει και να λειτουργήσει την πρώτη κλειστή αεροδυναμική σήραγγα το 1871.[9][10] Μόλις επετεύχθη αυτή η ανακάλυψη, λεπτομερή τεχνικά δεδομένα εξήχθησαν γρήγορα με τη χρήση του εργαλείου. Ο Ουένχαμ και ο συνάδελφός του Τζον Μπράουνινγκ πιστώνονται με πολλές θεμελιώδεις ανακαλύψεις, συμπεριλαμβανομένης της μέτρησης των αναλογιών άντωσης/αντίστασης, και την αποκάλυψη των ευεργετικών αποτελεσμάτων της υψηλής αναλογίας.

Ο Κονσταντίν Τσιολκόφσκι κατασκεύασε μια ανοιχτή αεροδυναμική σήραγγα με φυγοκεντρικό φυσητήρα το 1897 και καθόρισε τους συντελεστές οπισθέλκουσας των επίπεδων πλακών, κυλίνδρων και σφαιρών. Ο Δανός εφευρέτης Πόουλ λα Κόουρ εφάρμοσε αεροδυναμικές σήραγγες στη διαδικασία ανάπτυξης και βελτίωσης της τεχνολογίας των ανεμογεννητριών στις αρχές της δεκαετίας του 1890. Ο Καρλ Ρίκαρντ Νίμπεργκ χρησιμοποίησε μια αεροδυναμική σήραγγα κατά το σχεδιασμό του Flugan από το 1897 και μετά.

Σε μια κλασική σειρά πειραμάτων, ο Άγγλος Όσμπορν Ρένολντς (1842–1912) του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ κατέδειξε ότι το μοντέλο ροής αέρα σε ένα μοντέλο κλίμακας θα ήταν το ίδιο για το σκάφος πλήρους κλίμακας εάν μια συγκεκριμένη παράμετρος ροής ήταν η ίδια στις δύο περιπτώσεις. Αυτός ο παράγοντας, γνωστός τώρα ως ο αριθμός Reynolds, είναι μια βασική παράμετρος στην περιγραφή όλων των καταστάσεων ροής του ρευστού, συμπεριλαμβανομένων των σχημάτων των μοτίβων ροής, της ευκολίας μεταφοράς θερμότητας και της εμφάνισης του στροβιλισμού. Αυτό αποτελεί την κεντρική επιστημονική αιτιολόγηση για τη χρήση μοντέλων σε σήραγγες για την προσομοίωση πραγματικών φαινομένων. Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμοί στις συνθήκες στις οποίες η δυναμική ομοιότητα βασίζεται μόνο στον αριθμό Reynolds.

Η χρήση απλών αεροδυναμικών σηράγγων από τους αδελφούς Ράιτ το 1901 για να μελετήσουν τις επιπτώσεις της ροής του αέρα πάνω από διάφορα σχήματα, αναπτύσσοντας το Wright Flyer, ήταν κατά κάποιο τρόπο επαναστατική.[11] Μπορούμε να διαπιστώσουμε από τα παραπάνω ότι χρησιμοποιούσαν απλώς την αποδεκτή τεχνολογία της εποχής, αν και αυτή δεν ήταν ακόμα κοινή στην Αμερική.

Στη Γαλλία, ο Γκυστάβ Άιφελ (1832-1923) κατασκεύασε την πρώτη του αεροδυναμική σήραγγα ανοιχτής επιστροφής το 1909, με κινητήρα 50 kW, στο Πεδίο του Άρεως, κοντά στους πρόποδες του πύργου που φέρει το όνομά του. Μεταξύ 1909 και 1912, ο Άιφελ πραγματοποίησε περίπου 4000 δοκιμές στην αεροδυναμική του σήραγγα και ο συστηματικός πειραματισμός του έθεσε νέα πρότυπα για την αεροναυπηγική έρευνα. Το 1912 το εργαστήριο του Άιφελ μεταφέρθηκε στο Ωτέιγ, ένα προάστιο του Παρισιού, όπου η αεροδυναμική του σήραγγα με δοκιμαστικό τμήμα 2 μέτρων λειτουργεί ακόμη και σήμερα. Ο Άιφελ βελτίωσε σημαντικά την αποτελεσματικότητα της αεροδυναμικής σήραγγας ανοικτής επιστροφής, περικλείοντας το τμήμα δοκιμής σε ένα θάλαμο, σχεδιάζοντας μια φουσκωτή είσοδο με ένα καλούπι ισορροπίας ροής και προσθέτοντας ένα διαχυτή μεταξύ του τμήματος δοκιμής και του ανεμιστήρα που βρίσκεται στο κατάντη άκρο του διαχυτή. Αυτό ήταν μια διάταξη που ακολουθήθηκε από μια σειρά αεροδυναμικών σηράγγων που κατασκευάστηκαν αργότερα. Για την ακρίβεια η αεροδυναμική σήραγγα χαμηλής ταχύτητας ανοιχτής επιστροφής συχνά ονομάζεται αεροδυναμική σήραγγα τύπου Άιφελ.

Ευρεία χρήση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Γερμανικό εργαστήριο αεροπορίας, 1935

Η μεταγενέστερη χρήση των αεροδυναμικών σηράγγων πολλαπλασιάστηκε καθώς δημιουργήθηκε η επιστήμη της αεροδυναμικής και κανονισμοί στην αεροναυπηγική μηχανική ενώ τα αεροπορικά ταξίδια αναπτύχθηκαν.

Το αμερικανικό πολεμικό ναυτικό κατασκεύασε το 1916 μία από τις μεγαλύτερες αεροδυναμικές σήραγγες στον κόσμο την εποχή εκείνη στο Ναυπηγείο της Ουάσινγκτον. Η είσοδος είχε διάμετρο περίπου 3,4 μέτρα και το τμήμα εκκένωσης είχε διάμετρο 2,1 μέτρων. Ένας ηλεκτρικός κινητήρας 500 αλόγων τροφοδοτούσε τις λεπίδες του ανεμιστήρα.[12]

Το 1931 η NACA δημιούργησε μια αεροδυναμική σήραγγα μήκους 18 μέτρων «πλήρους κλίμακας» στο ερευνητικό κέντρο Langley στο Λάνγκλεϊ της Βιρτζίνια. Η σήραγγα τροφοδοτούνταν από ένα ζεύγος ανεμιστήρων που κινούνταν από ηλεκτροκινητήρες 4000 αλόγων. Η διάταξη ήταν μια μορφή διπλής επιστροφής κλειστού βρόχου και μπορούσε να φιλοξενήσει πολλά πραγματικά μεγάλα αεροσκάφη πλήρους μεγέθους καθώς και μοντέλα κλίμακας. Η σήραγγα έκλεισε τελικά και, μολονότι ανακηρύχθηκε ιστορικό εθνικό ορόσημο το 1995, άρχισε να κατεδαφίζεται το 2010.

Μέχρι τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, η μεγαλύτερη αεροδυναμική σήραγγα στον κόσμο, η οποία κατασκευάστηκε την περίοδο 1932-1934, βρισκόταν στο προάστιο Σαλαί Μεντόν του Παρισιού. Σχεδιάστηκε για την δοκιμή αεροσκαφών πλήρους μεγέθους και είχε έξι μεγάλους ανεμιστήρες τροφοδοτούμενους από ηλεκτροκινητήρες υψηλής ισχύος.[13] Η αεροδυναμική σήραγγα του Σαλαί Μεντόν χρησιμοποιήθηκε από την ONERA με την επωνυμία S1Ch μέχρι το 1976, π.χ. στην ανάπτυξη των αεροσκαφών Caravelle και Concorde. Σήμερα, η σήραγγα αυτή διατηρείται ως εθνικό μνημείο.

Ο Λούντβιχ Πραντλ ήταν καθηγητής του Τέοντορ φον Καρμάν στο πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν και πρότεινε την κατασκευή αεροδυναμικής σήραγγας για τις δοκιμές των αερόπλοιων που σχεδίαζαν.[14]:44 Ο δίαυλος στροβιλισμού της ανατάραξης ενός κυλίνδρου δοκιμάστηκε στη σήραγγα.[14]:63 Όταν αργότερα μετακινήθηκε στο πανεπιστήμιο του Άαχεν, αναγνώρισε τη χρήση αυτής της ευκολίας:

Θυμήθηκα ότι η αεροδυναμική σήραγγα στο Γκέτινγκεν ξεκίνησε ως εργαλείο για τη μελέτη της συμπεριφοράς του Zeppelin, αλλά αποδείχτηκε πολύτιμη για οτιδήποτε άλλο, από τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του καπνού από τη καπνοδόχο ενός πλοίου, έως εάν ένα συγκεκριμένο αεροπλάνο θα μπορούσε να πετάξει. Η πρόοδος στο Άαχεν, αισθάνθηκα, θα ήταν σχεδόν αδύνατη χωρίς μια καλή σήραγγα.[14]:76

Όταν ο Καρμάν άρχισε να διαβουλεύεται με την Caltech συνεργάστηκε με τον Κλαρκ Μίλλικαν και τον Άρθουρ Λ. Κλάιν.[14]:124 Αντιτάχθηκε στο σχεδιασμό τους και επέμεινε σε μια ροή επιστροφής κάνοντας τη συσκευή «ανεξάρτητη από τις διακυμάνσεις της εξωτερικής ατμόσφαιρας». Ολοκληρώθηκε το 1930 και χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή του Northrop Alpha.[14]:169 Το 1939 ο στρατηγός Άρνολντ ρώτησε τι ήταν απαραίτητο για την πρόοδο της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ και ο Καρμάν απάντησε: «Το πρώτο βήμα είναι η κατασκευή της σωστής αεροδυναμικής σήραγγας».[14]:226 Από την άλλη, μετά τις επιτυχίες του Bell X-2 και την προοπτική της πιο εξελιγμένης έρευνας, έγραψε: «Ήμουν υπέρ της κατασκευής ενός τέτοιου αεροπλάνου γιατί ποτέ δεν πίστευα ότι θα μπορούσαμε να λάβουμε όλες τις απαντήσεις από μια αεροδυναμική σήραγγα».[14]:302,3

Β΄ Παγκόσμιος Πόλεμος[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το 1941 οι ΗΠΑ κατασκεύασαν μία από τις μεγαλύτερες αεροδυναμικές σήραγγες εκείνη την εποχή στο Ράιτ Φιλντ στο Ντέιτον του Οχάιο. Αυτή η αεροδυναμική σήραγγα είχε άνοιγμα 14 μέτρων και στο βάθος είχε διάμετρο 6,1 μέτρων. Δύο ανεμιστήρες 12 μέτρων τροφοδοτούνταν από έναν ηλεκτροκινητήρα 40.000 ίππων. Μεγάλα μοντέλα αεροσκαφών θα μπορούσαν να δοκιμαστούν σε ταχύτητες αέρα 640 χλμ/ώρα).[15]

Η αεροδυναμική σήραγγα που χρησιμοποιούνταν από Γερμανούς επιστήμονες στο Peenemünde πριν και κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου είναι ένα ενδιαφέρον παράδειγμα των δυσκολιών που συνδέονται με την επέκταση του χρήσιμου εύρους των μεγάλων αεροδυναμικών σηράγγων. Χρησιμοποιούσε μερικές μεγάλες φυσικές κοιλότητες, οι οποίες μεγάλωσαν σε μέγεθος με εκσκαφές και στη συνέχεια σφραγίστηκαν για να αποθηκεύσουν μεγάλους όγκους αέρα που θα μπορούσαν έπειτα να κατευθυνθούν μέσω των αεροδυναμικών σηράγγων. Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση επέτρεψε την εργαστηριακή έρευνα σε καθεστώτα υψηλών ταχυτήτων και επιτάχυνε σημαντικά το ρυθμό προώθησης των προσπαθειών της γερμανικής αεροναυτικής μηχανικής. Μέχρι το τέλος του πολέμου, η Γερμανία είχε τουλάχιστον τρεις διαφορετικές υπερηχητικές αεροδυναμικές σήραγγες, με τη μια να έχει δυνατότητα ροής αέρα με ταχύτητα 4,4 Μαχ.[16]

Μια μεγάλη αεροδυναμική σήραγγα υπό κατασκευή κοντά στο Έτζταλ της Αυστρίας θα είχε δύο ανεμιστήρες τροφοδοτούμενους άμεσα από δύο υδραυλικούς στρόβιλους των 50.000 ίππων. Η εγκατάσταση δεν ολοκληρώθηκε μέχρι το τέλος του πολέμου και ο αποσυναρμολογημένος εξοπλισμός μεταφέρθηκε στο Μοντάν της Γαλλίας το 1946, όπου συναρμολογήθηκε και εξακολουθεί να λειτουργεί από την ONERA. Με το τμήμα δοκιμών των 8 μέτρων και ταχύτητα αέρα μέχρι 1 Μαχ είναι η μεγαλύτερη εγκατάσταση αεροδυναμικής σήραγγας στον κόσμο.[17]

Στις 22 Ιουνίου 1942, η Curtiss-Wright χρηματοδότησε την κατασκευή μιας από τις μεγαλύτερες υποηχητικές αεροδυναμικές σήραγγες των ΗΠΑ στο Μπάφαλο, της Νέας Υόρκης. Τα θεμέλια του κτιρίου τέθηκαν στις 22 Ιουνίου 1942 σε μια τοποθεσία που ονομάστηκε Calspan, η οποία εξακολουθεί να λειτουργεί ως η μεγαλύτερη ανεξάρτητη αεροδυναμική σήραγγα στις Ηνωμένες Πολιτείες.[18]

Μέχρι το τέλος του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου, οι ΗΠΑ είχαν κατασκευάσει οκτώ νέες αεροδυναμικές σήραγγες, συμπεριλαμβανομένης της μεγαλύτερης στον κόσμο, στο Μόφετ Φιλντ κοντά στο Σάνιβεϊλ της Καλιφόρνια, η οποία σχεδιάστηκε για να ελέγχει αεροσκάφη πλήρους μεγέθους σε ταχύτητες κάτω των 400 χλμ/ώρα[19] και μια κάθετη αεροδυναμική σήραγγα στο Ράιτ Φιλντ του Οχάιο, όπου η ροή ανέμου είναι προς τα πάνω για τη δοκιμή των μοντέλων σε καταστάσεις περιστροφής και των σχεδίων των πρώτων ελικοπτέρων που πέταξαν στις ΗΠΑ.[20]

Μετά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Δοκιμή της αεροδυναμικής σήραγγας της NACA σε άνθρωπο, που δείχνει τις επιδράσεις των υψηλών ταχυτήτων του ανέμου στο ανθρώπινο πρόσωπο

Αργότερα η έρευνα για τις ροές αέρα κοντά ή πάνω από την ταχύτητα του ήχου χρησιμοποίησε μια σχετική προσέγγιση. Οι μεταλλικοί θάλαμοι πίεσης χρησιμοποιήθηκαν για την αποθήκευση αέρα υψηλής πίεσης, ο οποίος στη συνέχεια επιταχύνθηκε μέσω ενός ακροφυσίου σχεδιασμένου να παρέχει υπερηχητική ροή. Ο θάλαμος παρατήρησης ή οργάνων («τμήμα δοκιμής») στη συνέχεια τοποθετήθηκε στη σωστή θέση στο λαιμό ή το ακροφύσιο για την επιθυμητή ταχύτητα αέρα.

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η ανησυχία σχετικά με την υστέρηση των αμερικανικών ερευνητικών εγκαταστάσεων σε σύγκριση με εκείνες που κατασκεύασαν οι Γερμανοί οδήγησε στο νόμο Ενιαίου Σχεδίου Αεροδυναμικών Σηράγγων το 1949, ο οποίος ενέκρινε δαπάνες για την κατασκευή νέων αεροδυναμικών σηράγγων σε πανεπιστήμια και στρατιωτικούς χώρους. Ορισμένες γερμανικές αεροδυναμικές σήραγγες της εποχής του πολέμου αποσυναρμολογήθηκαν και στάλθηκαν στις Ηνωμένες Πολιτείες στο πλαίσιο του σχεδίου εκμετάλλευσης των γερμανικών τεχνολογικών εξελίξεων.[21]

Για περιορισμένες εφαρμογές, η υπολογιστική δυναμική ρευστών (CFD) μπορεί να συμπληρώσει ή ενδεχομένως να αντικαταστήσει τη χρήση των αεροδυναμικών σηράγγων. Για παράδειγμα, το πειραματικό πυραυλοκινούμενο αεροσκάφος SpaceShipOne σχεδιάστηκε χωρίς την χρήση αεροδυναμικών σηράγγων. Ωστόσο, σε μία δοκιμή, τα νήματα πτήσης προσαρτήθηκαν στην επιφάνεια των πτερυγίων, εκτελώντας έναν τύπο δοκιμής αεροδυναμικής σήραγγας κατά τη διάρκεια μίας πραγματικής πτήσης προκειμένου να βελτιωθεί το υπολογιστικό μοντέλο. Όπου υπάρχει εξωτερική τυρβώδης ροή, το CFD δεν είναι πρακτικό λόγω των περιορισμών στους σύγχρονους υπολογιστικούς πόρους. Για παράδειγμα, ένας τομέας που εξακολουθεί να είναι πολύ πολύπλοκος για τη χρήση του CFD, είναι ο καθορισμός των επιπτώσεων της ροής πάνω και γύρω από κτίρια, γέφυρες, έδαφος κ.λπ.

Προετοιμασία μοντέλου στην Αεροδυναμική Σήραγγα Κίρστεν, μια υποηχητική αεροδυναμική σήραγγα στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον.

Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για την προσομοίωση της εξωτερικής τυρβώδους ροής είναι μέσω της χρήσης αεροδυναμικής σήραγγας οριακού στρώματος.

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για μοντελοποίηση με τη χρήση αεροδυναμικής σήραγγας οριακού στρώματος. Για παράδειγμα, η κατανόηση της επίδρασης του ανέμου σε πολυώροφα κτίρια, εργοστάσια, γέφυρες κ.λπ. μπορεί να βοηθήσει τους σχεδιαστές κτιρίων να κατασκευάσουν μια δομή που να αντέχει στις επιπτώσεις του αέρα με τον πλέον αποτελεσματικό τρόπο. Μια άλλη σημαντική εφαρμογή της μοντελοποίησης μέσω αεροδυναμικής σήραγγας οριακών στρωμάτων είναι η κατανόηση των μοντέλων διασποράς των αερίων για νοσοκομεία, εργαστήρια και άλλες πηγές εκπομπής. Άλλα παραδείγματα εφαρμογών αεροδυναμικών σηράγγων οριακών στρωμάτων είναι οι εκτιμήσεις της άνεσης των πεζών και της μεταφοράς του χιονιού. Η μοντελοποίηση μέσω αεροδυναμικών σηράγγων είναι αποδεκτή ως μέθοδος υποβοήθησης της οικολογικής σχεδίασης κτιρίων.

Λεπίδες ανεμιστήρων στην αεροδυναμική σήραγγα του Ερευνητικού Κέντρου Λάνγκλεϊ το 1990

Οι δοκιμές με αεροδυναμικές σήραγγες οριακού στρώματος επιτρέπουν την προσομοίωση της φυσικής οπισθέλκουσας της επιφάνειας της Γης. Για λόγους ακρίβειας, είναι σημαντικό να προσομοιώνουμε το προφίλ μέσης ταχύτητας ανέμου και τις επιδράσεις στροβιλισμού εντός του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος. Οι περισσότεροι κώδικες και πρότυπα αναγνωρίζουν ότι η δοκιμή αεροδυναμικών σηράγγων μπορεί να παράγει αξιόπιστες πληροφορίες για τους σχεδιαστές, ειδικά όταν τα έργα τους βρίσκονται σε πολύπλοκο έδαφος ή σε εκτεθειμένες περιοχές.

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, πολλές αεροδυναμικές σήραγγες έχουν παροπλισθεί τα τελευταία 20 χρόνια, συμπεριλαμβανομένων μερικών ιστορικών εγκαταστάσεων. Ασκείται πίεση στις εναπομείνασες αεροδυναμικές σήραγγες λόγω της φθίνουσας ή ακανόνιστης χρήσης τους, του υψηλού κόστους ηλεκτρικής ενέργειας και σε ορισμένες περιπτώσεις της μεγάλης αξίας του ακινήτου στο οποίο βρίσκεται η εγκατάσταση. Από την άλλη, η επικύρωση CFD εξακολουθεί να απαιτεί δεδομένα αεροδυναμικών σηράγγων και αυτό είναι πιθανόν να συμβαίνει και στο προσεχές μέλλον. Έχουν γίνει μελέτες και άλλες βρίσκονται σε εξέλιξη για να εκτιμηθούν οι μελλοντικές ανάγκες στρατιωτικών και εμπορικών αεροδυναμικών σηράγγων, αλλά το αποτέλεσμα παραμένει αβέβαιο.[22] Πιο πρόσφατα, η αυξημένη χρήση μη επανδρωμένων οχημάτων με κινητήρα τζετ αντικατέστησε μερικές από τις παραδοσιακές χρήσεις των αεροδυναμικών σηράγγων.[23]

Τρόπος λειτουργίας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Εξωτερική ισορροπία έξι στοιχείων κάτω από την αεροδυναμική σήραγγα Kirsten

Ο αέρας εμφυσάται ή αναρροφάται μέσω ενός αγωγού εξοπλισμένου με θύρα προβολής και όργανα όπου τοποθετούνται μοντέλα ή γεωμετρικά σχήματα για μελέτη. Συνήθως ο αέρας κινείται μέσω της σήραγγας χρησιμοποιώντας μια σειρά ανεμιστήρων. Για πολύ μεγάλες αεροδυναμικές σήραγγες διαμέτρου αρκετών μέτρων, ένας μεγάλος μεγάλος ανεμιστήρας δεν είναι πρακτικός και έτσι αντ' αυτού χρησιμοποιείται μια σειρά παράλληλων πολλαπλών ανεμιστήρων για την παροχή επαρκούς ροής αέρα. Λόγω του απαιτούμενου όγκου και ταχύτητας κίνησης του αέρα, οι ανεμιστήρες μπορούν να τροφοδοτούνται από σταθερούς κινητήρες με στροβιλοκινητήρες και όχι από ηλεκτροκινητήρες.

Η ροή αέρα που δημιουργείται από τους ανεμιστήρες που εισέρχονται στη σήραγγα είναι από μόνη της εξαιρετικά τυρβώδης λόγω της κίνησης της λεπίδας του ανεμιστήρα και έτσι δεν είναι άμεσα χρήσιμη για ακριβείς μετρήσεις. Ο αέρας που κινείται μέσω της σήραγγας πρέπει να είναι σχετικά χωρίς στροβιλισμό και ελασματοειδής. Για τη διόρθωση αυτού του προβλήματος, χρησιμοποιούνται κατακόρυφα και οριζόντια πτερύγια σε μικρή απόσταση για την εξομάλυνση της τυρβώδους ροής αέρα πριν φτάσουν στο αντικείμενο δοκιμής.

Λόγω των επιδράσεων του ιξώδους, η εγκάρσια τομή μιας αεροδυναμικής σήραγγας είναι κατά βάση κυκλική και όχι τετραγωνική, διότι σε μια τετραγωνική σήραγγα υπάρχει μεγαλύτερη συστολή της ροής στις γωνίες η οποία μπορεί να κάνει τη ροή τυρβώδη. Μια κυκλική σήραγγα παρέχει ομαλότερη ροή.

Η εσωτερική όψη της σήραγγας είναι κατά κανόνα όσο το δυνατόν πιο ομαλή, για να μειωθεί η οπισθέλκουσα και η τύρβωση της επιφάνειας που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την ακρίβεια των δοκιμών. Ακόμη και οι λείοι τοίχοι προκαλούν έλξη στη ροή του αέρα και έτσι το αντικείμενο που δοκιμάζεται συνήθως κρατείται κοντά στο κέντρο της σήραγγας, με μια κενή ζώνη προστασίας μεταξύ του αντικειμένου και των τοίχων της σήραγγας. Υπάρχουν συντελεστές διόρθωσης που συσχετίζουν τα αποτελέσματα των δοκιμών της αεροδυναμικής σήραγγας με εξωτερικά αποτελέσματα.

Ο φωτισμός είναι συνήθως ενσωματωμένος στα κυκλικά τοιχώματα της σήραγγας και φέγγει μέσα από τα παράθυρα. Εάν το φως τοποθετηθεί στην εσωτερική επιφάνεια της σήραγγας κατά συμβατικό τρόπο, ο λαμπτήρας θα δημιουργήσει αναταράξεις καθώς ο αέρας ρέει γύρω του. Ομοίως, η παρατήρηση γίνεται συνήθως μέσω διαφανών οπών στη σήραγγα. Αντί να έχουν σχήμα επίπεδου δίσκου, αυτά τα παράθυρα φωτισμού και παρατήρησης μπορεί να είναι καμπυλωτά για να ταιριάζουν με τη διατομή της σήραγγας ώστε να μειώνουν περαιτέρω τη στροβιλισμό γύρω τους.

Διάφορες τεχνικές χρησιμοποιούνται για να μελετήσουν την πραγματική ροή αέρα γύρω από τη γεωμετρία και να τις συγκρίνουν με τα θεωρητικά αποτελέσματα, τα οποία πρέπει επίσης να λάβουν υπόψη τον αριθμό Reynolds και τον αριθμό Μαχ για το καθεστώς λειτουργίας τους.

Μετρήσεις πίεσης[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η πίεση στις επιφάνειες του μοντέλου μπορεί να μετρηθεί εάν το μοντέλο περιλαμβάνει βάνες πίεσης. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο για φαινόμενα στα οποία κυριαρχεί η πίεση, αλλά ισχύει μόνο για φυσιολογικές δυνάμεις που ασκούνται στο σώμα.

Μετρήσεις δύναμης[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Διάγραμμα τυπικού συντελεστή άντωσης προς γωνία προσβολής

Με το μοντέλο τοποθετημένο σε ισορροπία δυνάμεων, μπορούν να μετρηθούν η άντωση, η οπισθέλκουσα, οι πλευρικές δυνάμεις, η εκτροπή, η περιστροφή και η κλίση σε μια σειρά γωνιών προσβολής. Αυτό επιτρέπει την δημιουργία συνηθισμένων διαγραμμάτων, όπως συντελεστή άντωσης προς γωνία προσβολής.

Σημειώστε ότι η ίδια η ισορροπία δυνάμεων δημιουργεί οπισθοδρόμηση και πιθανή αναταραχή που θα επηρεάσει το μοντέλο και θα εισαγάγει σφάλματα στις μετρήσεις. Οι δομές στήριξης είναι επομένως τυπικά ομαλά διαμορφωμένες ώστε να ελαχιστοποιούν τις αναταράξεις.

Οπτικοποίηση ροής[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Επειδή ο αέρας είναι διαφανής, είναι δύσκολο να παρατηρηθεί άμεσα η κίνηση του αέρα. Αντ' αυτού, αναπτύχθηκαν πολλαπλές μέθοδοι για ποσοτικές και ποιοτικές μεθόδους απεικόνισης της ροής για δοκιμές σε αεροδυναμικές σήραγγες.

Ποιοτικές μέθοδοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Συλλογή εικόνων που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια μιας εκτέλεσης άλφα από 0 βαθμούς έως 26 βαθμούς άλφα. Εικόνες από την αεροδυναμική σήραγγα Kirsten με την χρήση μινι-δεσμών φθορισμού. Ο διαχωρισμός ξεκινά από την εξωτερική πτέρυγα και προχωρά προς τα μέσα. Υπάρχει καθυστέρηση στον διαχωρισμό πίσω από τον θάλαμο του αεροσκάφους.
Φωσφορίζουσες μικροσκοπικές δέσμες προσαρτημένες σε πτέρυγα στην αεροδυναμική σήραγγα Kirsten που δείχνει την κατεύθυνση ροής αέρα και τον διαχωρισμό. Γωνία προσβολής ~ 12 μοίρες, ταχύτητα ~ 190 χλμ/ώρα.
Πηλός πορσελάνης σε πτέρυγα στην αεροδυναμική σήραγγα Kirsten, δείχνοντας την ροή του αέρα.
Ροή λαδιού ορατή σε ευθεία πτέρυγα στην αεροδυναμική σήραγγα Kirsten. Μπορούν να εντοπιστούν σταγόνες κοντά στην αιχμή των πτερύγων.
Οπτικοποίηση αεροδυναμικής σήραγγας (σωματίδια ύδατος) ενός αεροσκάφους NACA 4412 σε ροή χαμηλής ταχύτητας (Re = 20.000)
  • Καπνός
  • Δέσμες που εφαρμόζονται σε μοντέλο και παραμένουν προσαρτημένες κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Οι δέσμες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρήσουν τα μοτίβα ροής αέρα και τον διαχωρισμό ροής.
  • Εξατμιζόμενα εναιωρήματα τα οποία είναι μίγμα κάποιας μορφής ή λεπτής σκόνης, τάλκης ή αργίλου αναμεμιγμένα σε υγρό με χαμηλή λανθάνουσα θερμοκρασία εξάτμισης. Όταν ο άνεμος ρέει το υγρό εξατμίζεται γρήγορα, αφήνοντας πίσω του τον πηλό σε ένα σχήμα χαρακτηριστικό της ροής του αέρα.
  • Λάδι: Όταν εφαρμόζεται λάδι στην επιφάνεια του μοντέλου, μπορεί να δείξει σαφώς τη μετάβαση από ελασματώδη σε τυρβώδη ροή καθώς και τον διαχωρισμό της ροής.
  • Η ομίχλη (συνήθως από σωματίδια νερού) δημιουργείται μέσω ενός υπερηχητικού πιεζοηλεκτρικού νεφελοποιητή. Η ομίχλη μεταφέρεται μέσα στην αεροδυναμική σήραγγα (κατά προτίμηση τύπου κλειστού κυκλώματος και κλειστού τμήματος δοκιμής). Ένα ηλεκτρικά θερμαινόμενο πλέγμα εισάγεται πριν από το τμήμα δοκιμής, το οποίο εξατμίζει τα σωματίδια νερού στην περιοχή του, σχηματίζοντας έτσι φύλλα ομίχλης. Τα φύλλα ομίχλης λειτουργούν ως ραβδώσεις πάνω από το μοντέλο δοκιμής όταν φωτίζονται από ένα φύλλο φωτός.
  • Εξάχνωση: Εάν η κίνηση του αέρα στη σήραγγα είναι επαρκώς μη τυρβώδης, το ρεύμα σωματιδίων που απελευθερώνεται στη ροή του αέρα σπάει καθώς ο αέρας ρέει στον χώρο, αλλά παραμείνει ενωμένο ως οξεία λεπτή γραμμή. Πολλαπλές ροές σωματιδίων που απελευθερώνονται από ένα πλέγμα πολλών ακροφυσίων μπορούν να παρέχουν ένα δυναμικό τρισδιάστατο σχήμα της ροής του αέρα γύρω από ένα σώμα. Όπως και με την ισορροπία δυνάμεων, αυτοί οι σωλήνες έγχυσης και τα ακροφύσια πρέπει να διαμορφώνονται κατά τρόπο που να ελαχιστοποιεί την εισαγωγή τυρβώδους ροής στο ρεύμα αέρα.

Οι στροβιλισμοί υψηλής ταχύτητας και οι στρόβιλοι μπορεί να είναι δύσκολο να το εντοπιστούν άμεσα, αλλά τα φώτα στροβοσκόπωσης και οι φωτογραφικές μηχανές ή ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές υψηλής ταχύτητας μπορούν να συμβάλουν στην καταγραφή γεγονότων που είναι θολά με γυμνό μάτι.

Οι κάμερες υψηλής ταχύτητας απαιτούνται επίσης όταν το αντικείμενο της δοκιμής κινείται με μεγάλη ταχύτητα, όπως μια έλικα αεροπλάνου. Η κάμερα μπορεί να τραβήξει στιγμιαίες λήψεις για το πώς η λεπίδα περνά μέσα από τα σωματιδιακά ρεύματα και πώς δημιουργούνται στρόβιλοι κατά μήκος των άκρων της κινούμενης λεπίδας.

Ταξινόμηση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη αεροδυναμικών σηράγγων. Κατά κανόνα ταξινομούνται ανάλογα με το φάσμα των ταχυτήτων που επιτυγχάνονται στο τμήμα δοκιμής, ως εξής:

  • Αεροδυναμικές σήραγγες χαμηλών ταχυτήτων
  • Αεροδυναμικές σήραγγες υψηλών ταχυτήτων
  • Αεροδυναμικές σήραγγες υποηχητικών και διηχητικών ταχυτήτων
  • Αεροδυναμικές σήραγγες υπερηχητικών ταχυτήτων
  • Αεροδυναμικές σήραγγες εξαιρετικά υπερηχητικών ταχυτήτων

Οι αεροδυναμικές σήραγγες ταξινομούνται επίσης από τον προσανατολισμό της ροής αέρα στο τμήμα δοκιμής σε σχέση με τη βαρύτητα. Συνήθως έχουν οριζόντιο προσανατολισμό όπως συμβαίνει στις πτήσεις αεροσκαφών. Μια διαφορετική κατηγορία αεροδυναμικών σηράγγων είναι προσανατολισμένη κάθετα έτσι ώστε η βαρύτητα να μπορεί να εξισορροπείται με την οπισθέλκουσα αντί της άντωσης. Αυτές οι αεροδυναμικές σήραγγες έχουν γίνει μια δημοφιλής μορφή αναψυχής για προσομοίωση καταδύσεων:

  • Κάθετη αεροδυναμική σήραγγα

Οι αεροδυναμικές σήραγγες ταξινομούνται επίσης με βάση την κύρια χρήση τους. Σε εκείνες που χρησιμοποιούνται για οχήματα ξηράς όπως αυτοκίνητα και φορτηγά, ο τύπος του αεροδυναμικού δαπέδου είναι επίσης σημαντικός. Αυτά ποικίλλουν από στάσιμα δάπεδα έως τα πλήρως κινούμενα δάπεδα, με τα μικρότερα κινούμενα δάπεδα και μερικές προσπάθειες ελέγχου της οριακής στάθμης είναι επίσης σημαντικές.

Αεροναυτικές αεροδυναμικές σήραγγες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι κυριότερες υποκατηγορίες στις αεροναυτικές αεροδυναμικές σήραγγες είναι:

Σήραγγες υψηλού αριθμού Reynolds[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο αριθμός Reynolds είναι μία από τις παραμέτρους ομοιότητας που διέπουν τη προσομοίωση ροής σε μια αεροδυναμική σήραγγα. Για αριθμό Μαχ μικρότερο από 0,3, αποτελεί την κύρια παράμετρο που καθορίζει τα χαρακτηριστικά της ροής. Υπάρχουν τρεις κύριοι τρόποι για την προσομοίωση του υψηλού αριθμού Reynolds, δεδομένου ότι δεν είναι πρακτικό να αποκτάται πλήρους κλίμακας αριθμός Reynolds για χρήση σε οχήματα πλήρους κλίμακας.

  • Σήραγγες υπό πίεση: Τα αέρια δοκιμής είναι υπό πίεση για την αύξηση του αριθμού Reynolds.
  • Σήραγγες βαρέων αερίων: Χρησιμοποιούνται ως αέρια δοκιμής βαρύτερα αέρια όπως το φρέον και το R-134a. Η σήραγγα διηχητικής δυναμικής της NASA στο Λάνγκλει είναι ένα παράδειγμα τέτοιας σήραγγας.
  • Κρυογονικές σήραγγες: Το αέριο δοκιμής ψύχεται για να αυξηθεί ο αριθμός Reynolds. Η Ευρωπαϊκή Διηχητική Αεροδυναμική Σήραγγα χρησιμοποιεί αυτή την τεχνική.
  • Σήραγγες μεγάλου υψομέτρου: Αυτές είναι σχεδιασμένες για να ελέγχουν τις επιδράσεις των κρουστικών κυμάτων σε διάφορα σχήματα αεροσκαφών σε συνθήκες σχεδόν κενού. Το 1952 το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια κατασκεύασε τις πρώτες δύο σήραγγες σε υψηλό υψόμετρο: τη μια για τη δοκιμή αντικειμένων στα 50 έως 70 μίλια πάνω από τη γη και το δεύτερο για δοκιμές σε απόσταση 80 έως 200 μιλίων πάνω από τη γη.[24]

Σήραγγες αεροσκαφών κάθετης απογείωσης-προσγείωσης (V/STOL)[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι σήραγγες V/STOL απαιτούν μεγάλη επιφάνεια διατομής, αλλά μόνο μικρές ταχύτητες. Δεδομένου ότι η ισχύς ποικίλλει ανάλογα με τον κύβο της ταχύτητας, η απαιτούμενη ισχύς για τη λειτουργία τους είναι επίσης μικρότερη.[25]

Σήραγγες περιστροφής[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα αεροσκάφη έχουν την τάση να περιστρέφονται όταν χάνουν την ισορροπία τους. Αυτές οι σήραγγες χρησιμοποιούνται για να μελετήσουν αυτό το φαινόμενο.

Σήραγγες οχημάτων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι αεροδυναμικές σήραγγες για οχήματα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

  • Σήραγγες εξωτερικής ροής: χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της εξωτερικής ροής μέσω του αμαξώματος.
  • Οι κλιματικές σήραγγες χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της απόδοσης των συστημάτων πορτών, των συστημάτων πέδησης κ.λπ. υπό διάφορες κλιματικές συνθήκες. Οι περισσότεροι από τους κορυφαίους κατασκευαστές οχημάτων έχουν τις δικές τους κλιματικές αεροδυναμικές σήραγγες

Ο Βούνιμπαλντ Καμ κατασκεύασε την πρώτη πλήρους κλίμακας αεροδυναμική σήραγγα για οχήματα.[26]

Για τις σήραγγες εξωτερικής ροής χρησιμοποιούνται διάφορα συστήματα για την αντιστάθμιση της επίδρασης του οριακού στρώματος στην επιφάνεια του οδοστρώματος, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων κινούμενων ιμάντων κάτω από κάθε τροχό και του αμαξώματος του αυτοκινήτου (5 ή 7 συστήματα ιμάντων) ή ενός μεγάλου ιμάντα κάτω από ολόκληρο το αυτοκίνητο ή άλλες μεθόδους ελέγχου της οριακής στρώσης όπως κουτάλες ή διατρήσεις για να το απορροφούν.[27]

Αεροακουστικές σήραγγες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Αυτές οι σήραγγες χρησιμοποιούνται στις μελέτες του θορύβου που παράγεται από τη ροή και την καταστολή του.

Η κάθετη αεροδυναμική σήραγγα T-105 στο Κεντρικό Αερουδροδυναμικό Ινστιτούτο της Μόσχας, το οποίο κατασκευάστηκε το 1941 για δοκιμές αεροσκαφών

Υδροδυναμικά αυλάκια[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι αεροδυναμικές αρχές των αεροδυναμικών σηράγγων λειτουργούν εξίσου στα σκάφη, με εξαίρεση ότι το νερό είναι πιο ιξώδες και έτσι ασκεί μεγαλύτερες δυνάμεις στο αντικείμενο που δοκιμάζεται. Επαναληπτικά αυλάκια χρησιμοποιούνται συνήθως για υποβρύχιες αεροδυναμικές δοκιμές. Η αλληλεπίδραση μεταξύ δύο διαφορετικών τύπων υγρών σημαίνει ότι οι καθαρές δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας είναι μόνο εν μέρει σχετικές. Ωστόσο, παρόμοιες δοκιμές γίνονται σε δεξαμενές ρυμούλκησης.

Δοκιμές υπερμεγέθων υγρών χαμηλής ταχύτητας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο αέρας δεν είναι πάντα το καλύτερο μέσο δοκιμής για τη μελέτη αεροδυναμικών αρχών μικρής κλίμακας, λόγω της ταχύτητας ροής του αέρα και της κίνησης του αεροτομής.

Δοκιμές ανεμιστήρων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Εκτελούνται επίσης δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας για την ακριβή μέτρηση της κίνησης του αέρα των ανεμιστήρων σε μια συγκεκριμένη πίεση. Με τον καθορισμό των περιβαλλοντικών συνθηκών κατά τη διάρκεια της μέτρησης και με την αναθεώρηση της αεροστεγανότητας στη συνέχεια εξασφαλίζεται η τυποποίηση των δεδομένων.

Υπάρχουν δύο τρόποι μέτρησης: ενός ολόκληρου ανεμιστήρα ή ενός στροφείου σε μια υδραυλική εγκατάσταση. Δύο σωλήνες μέτρησης επιτρέπουν μετρήσεις χαμηλότερων ρευμάτων αέρα (<30.000 m³/h) καθώς και υψηλότερα ρεύματα αέρα (<60.000 m³/h). Ο καθορισμός της καμπύλης Q/h του ανεμιστήρα είναι ένας από τους κύριους στόχους. Για τον προσδιορισμό αυτού του διαγράμματος (και για τον ορισμό άλλων παραμέτρων) μετρούνται τα τεχνικά, μηχανικά και ηλεκτροτεχνικά δεδομένα του αέρα:

Αεροτεχνικά δεδομένα:

  • Διαφορά στατικής πίεσης (Pa)
  • Ποσότητα κινούμενου αέρα (m³/h)
  • Μέση ταχύτητα αέρα (m/s)
  • Ειδική αποτελεσματικότητα (W/1000m³/h)
  • Αποτελεσματικότητα

Ηλεκτροτεχνικά χαρακτηριστικά:

  • Ένταση (V)
  • Ρεύμα (A)
  • Συνημίτονο φ
  • Ισχύς ανεμιστήρα (W) / στροφείο
  • Στροφές ανά λεπτό (RPM)

Η μέτρηση μπορεί να πραγματοποιηθεί στον ανεμιστήρα ή στην εφαρμογή στην οποία χρησιμοποιείται.

Δοκιμές μηχανικής ανέμου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Στην μηχανική του ανέμου, οι δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ταχύτητας γύρω από κατασκευές, και των δυνάμεων ή πιέσεων σε αυτές. Πολύ ψηλά κτίρια, κτίρια με ασυνήθιστα ή περίπλοκα σχήματα (όπως ένα ψηλό κτίριο με παραβολικό ή υπερβολικό σχήμα), γέφυρες με καλώδια αναλύονται σε εξειδικευμένες αεροδυναμικές σήραγγες οριακού στρώματος. Αυτές διαθέτουν ένα μακρύ τμήμα με τον αέρα να κινείται αντίθετα το οποίο αντιπροσωπεύει με ακρίβεια την ταχύτητα ανέμου και το προφίλ στροβιλισμού που επενεργεί στη δομή. Οι δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας παρέχουν τις απαραίτητες μετρήσεις της σχεδιαστικής πίεσης κατά τη χρήση της δυναμικής ανάλυσης και ελέγχου των ψηλών κτιρίων.[28][29]

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Racing Helmet Design, James C. Paul, P.E., Airflow Sciences Corporation
  2. «Computational Fluid Dynamics (CFD)». www.tuev-sued.de (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 2017-12-06. 
  3. Going with the flow, Aerospace Engineering & Manufacturing, March 2009, σσ. 27-28, Society of Automotive Engineers
  4. Brune, G. W. (1994). «Quantitative low-speed wake surveys». Journal of Aircraft 31 (2): 249–255. doi:10.2514/3.46481. ISSN 0021-8669. https://doi.org/10.2514/3.46481. 
  5. Lissaman, P. B. S. (1 January 1983). Low-Reynolds-Number Airfoils. 15, σελ. 223–239. doi:10.1146/annurev.fl.15.010183.001255. Bibcode1983AnRFM..15..223L. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.fl.15.010183.001255. 
  6. Robins, Benjamin. London.), James Wilson (M D. , of (1761). Mathematical tracts of the late Benjamin Robins .... London: J. Nourse, σελ. 202. https://books.google.gr/books?id=ha82AAAAMAAJ&pg=PA202. 
  7. J. A. D. Ackroyd (2011) "Sir George Cayley: The Invention of the Aeroplane near Scarborough at the Time of Trafalgar," Journal of Aeronautical History, 1 : 130–181. σσ. 147-149 και 166.
  8. Bjorn Fehrm (27-10-2017). «Bjorn’s Corner: Aircraft drag reduction, Part 2». Leeham. https://leehamnews.com/2017/10/27/bjorns-corner-aircraft-drag-reduction-part-2/. 
  9. «Annual report of the Aëronautical Society of Great Britain. v.1-6 (1866-71).». HathiTrust (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 07-12-2017.  Ελέγξτε τις τιμές ημερομηνίας στο: |accessdate= (βοήθεια)
  10. «Annual report of the Aëronautical Society of Great Britain. v.7-12 (1872-77).». HathiTrust (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 07-12-2017.  Ελέγξτε τις τιμές ημερομηνίας στο: |accessdate= (βοήθεια)
  11. Dodson, MG (2005). «An Historical and Applied Aerodynamic Study of the Wright Brothers' Wind Tunnel Test Program and Application to Successful Manned Flight». US Naval Academy Technical Report USNA-334. http://archive.rubicon-foundation.org/3585. Ανακτήθηκε στις 07-12-2017. 
  12. Aerial Age. USA: Aerial Age Company. 1915, σελ. 426. https://books.google.gr/books?id=V3fmAAAAMAAJ&pg=PA426. 
  13. Magazines, Hearst (1936). Popular Mechanics. USA: Hearst Magazines, σελ. 94-95. https://books.google.com/books?id=QdsDAAAAMBAJ&pg=PA94&dq=Popular+Science+1935+plane+%22Popular+Mechanics%22&hl=en&ei=QIs_TpjpHOPJsQKo4uC_Bw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=2&ved=0CCwQ6AEwATgU#v=onepage&q&f=true. 
  14. 14,0 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5 14,6 Theodore von Kármán (1967) The Wind and Beyond
  15. "400mph Wind Tests Planes" Popular Mechanics, Ιούλιος 1941
  16. «Peenemünde Wind Tunnels | Yale University Press». yalebooks.yale.edu. Ανακτήθηκε στις 09-12-2017.  Ελέγξτε τις τιμές ημερομηνίας στο: |accessdate= (βοήθεια)
  17. Ernst Heinrich Hirschel, Horst Prem, Gero Madelung, Aeronautical Research in Germany: From Lilienthal Until Today Springer, 2004 (ISBN 354040645X), σελ. 87
  18. «Calspan History > Wind Tunnel Construction». calspan.com. Ανακτήθηκε στις 09-12-2017.  Ελέγξτε τις τιμές ημερομηνίας στο: |accessdate= (βοήθεια)
  19. "Wind at Work For Tomorrow's Planes." Popular Science, Ιούλιος 1946, σσ. 66-72.
  20. "Vertical Wind Tunnel." Popular Science, Φεβρουάριος 1945, σελ. 73.
  21. HIEBERT, DAVID M. (2002). «PUBLIC LAW 81-415: THE UNITARY WIND TUNNEL PLAN ACT OF 1949 AND THE AIR ENGINEERING DEVELOPMENT CENTER ACT OF 19491» (PDF). Ανακτήθηκε στις 13-12-2017.  Ελέγξτε τις τιμές ημερομηνίας στο: |accessdate= (βοήθεια)
  22. Goldstein, E., "Wind Tunnels, Don't Count Them Out," Aerospace America, Vol. 48 #4, Απρίλιος 2010, σσ. 38-43
  23. Benjamin Gal-Or, Vectored Propulsion, Supermaneuverability & Robot Aircraft, Springer Verlag, 1990, (ISBN 0-387-97161-0), (ISBN 3-540-97161-0)
  24. "Windless Wind Tunnels for High Altitude Tests." Popular Mechanics, Φεβρουάριος 1952, σελ. 105.
  25. Koenig, David G. «V/STOL Wind Tunnels» (PDF). ntrs.nasa.gov. NASA. Ανακτήθηκε στις 12-12-2017.  Ελέγξτε τις τιμές ημερομηνίας στο: |accessdate= (βοήθεια)
  26. «The wind tunnel in Untertürkheim – an installation with history | marsMediaSite». marsMediaSite (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12-12-2017.  Ελέγξτε τις τιμές ημερομηνίας στο: |accessdate= (βοήθεια)
  27. Dumitrache, Alina (07-08-2010). «Automotive Wind Tunnels - Making Aerodynamic Cars». www.autoevolution.com. Ανακτήθηκε στις 13-12-2017.  Ελέγξτε τις τιμές ημερομηνίας στο: |accessdate=, |date= (βοήθεια)
  28. ALY, Aly Mousaad; Alberto Zasso; Ferruccio Resta (2011). «Dynamics and Control of High-Rise Buildings under Multidirectional Wind Loads». Smart Materials Research. http://www.hindawi.com/journals/smr/2011/549621/. 
  29. ALY, Aly Mousaad; Alberto Zasso; Ferruccio Resta (2011). «On the dynamics of a very slender building under winds: response reduction using MR dampers with lever mechanism». The Structural Design of Tall and Special Buildings. doi:10.1002/tal.647. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/tal.647/abstract. 

Περαιτέρω ανάγνωση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Jewel B. Barlow, William H. Rae, Jr., Allan Pope: "Low speed wind tunnels testing" (3rd ed.) (ISBN 978-0-471-55774-6)

Εξωτερικοί σύνδεσμοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]