Větrný tunel - Wind tunnel

https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/side_image/public/thumbnails/image/edu_wind_tunnels_1.jpg?itok=pZg9nFzN
Větrný tunel NASA s maketou letadla
Model Cessny s bublinami naplněnými heliem ukazující dráhy vírů na konci křídel

Aerodynamické tunely jsou velké trubky, kterými proudí vzduch, které se používají k replikaci interakce mezi vzduchem a objektem letícím vzduchem nebo pohybujícím se po zemi. Vědci používají aerodynamické tunely, aby se dozvěděli více o tom, jak bude letadlo létat. NASA využívá aerodynamické tunely k testování zmenšených modelů letadel a kosmických lodí. Některé aerodynamické tunely jsou dostatečně velké, aby obsahovaly verze vozidel v plné velikosti. Větrný tunel pohybuje vzduchem kolem objektu, takže to vypadá, jako by objekt letěl.

Většinu času nasávají vzduch trubicí velké výkonné ventilátory . Testovaný objekt je bezpečně držen uvnitř tunelu tak, aby zůstal nehybný. Předmětem může být aerodynamický testovací objekt, jako je válec nebo profil letadla, jednotlivá součást, malý model vozidla nebo vozidlo v plné velikosti. Vzduch pohybující se kolem stacionárního objektu ukazuje, co by se stalo, kdyby se objekt pohyboval vzduchem. Pohyb vzduchu lze studovat různými způsoby; kouř nebo barvivo lze umístit do vzduchu a lze je vidět, jak se pohybuje kolem předmětu. K předmětu lze také připevnit barevné nitě, které ukazují, jak se kolem něj pohybuje vzduch. K měření síly vzduchu působícího na předmět lze často použít speciální přístroje.

Nejstarší aerodynamické tunely byly vynalezeny ke konci 19. století, v počátcích leteckého výzkumu, kdy se mnozí pokoušeli vyvinout úspěšné létající stroje těžší než vzduch. Větrný tunel byl zamýšlen jako prostředek k obrácení obvyklého paradigmatu: místo toho, aby vzduch stál a objekt se jím pohyboval rychlostí, stejného efektu by se dosáhlo, kdyby objekt stál a vzduch by se pohyboval rychlostí kolem něj. Tímto způsobem mohl stacionární pozorovatel studovat létající objekt v akci a mohl měřit aerodynamické síly, které na něj působí.

Vývoj aerodynamických tunelů doprovázel vývoj letounu. Velké aerodynamické tunely byly postaveny během druhé světové války. Testování v aerodynamickém tunelu bylo považováno za strategické během vývoje nadzvukových letadel a raket za studené války.

Později se prosadilo studium aerodynamického tunelu: účinky větru na uměle vytvořené konstrukce nebo předměty bylo třeba studovat, když budovy byly dostatečně vysoké, aby větru představovaly velké plochy, a výsledné síly musely odolávat vnitřním silám budovy. struktura. Stanovení takových sil bylo vyžadováno předtím, než stavební předpisy mohly specifikovat požadovanou pevnost takových budov a takové testy se nadále používají pro velké nebo neobvyklé budovy.

Přibližně v 60. letech 20. století bylo na automobily aplikováno testování v aerodynamickém tunelu , ani ne tak kvůli určení aerodynamických sil jako takových, ale spíše kvůli určení způsobů, jak snížit výkon potřebný k pohybu vozidla na vozovkách při dané rychlosti. V těchto studiích hraje významnou roli interakce mezi vozovkou a vozidlem a tato interakce musí být zohledněna při interpretaci výsledků zkoušek. Ve skutečné situaci se vozovka pohybuje vzhledem k vozidlu, ale vzduch je vzhledem k vozovce nehybný, ale v aerodynamickém tunelu se vzduch pohybuje vzhledem k vozovce, zatímco vozovka je vzhledem k testovanému vozidlu nehybná. Některé automobilové testovací aerodynamické tunely začlenily pohyblivé pásy pod testovací vozidlo ve snaze přiblížit se skutečnému stavu a velmi podobná zařízení se používají při testování konfigurace letadel pro vzlet a přistání v aerodynamickém tunelu.

V průběhu let také převládalo testování sportovního vybavení v aerodynamickém tunelu, včetně golfových holí, golfových míčků, olympijských bobů, olympijských cyklistů a přileb závodních automobilů. Aerodynamika přilby je zvláště důležitá u závodních vozů s otevřeným kokpitem (Indycar, Formule 1). Nadměrné zvedací síly na přilbu mohou způsobit značné namáhání krku řidiče a oddělení proudění na zadní straně přilby může způsobit turbulentní nárazy a tím rozmazané vidění řidiče při vysokých rychlostech.

Pokroky v modelování výpočetní dynamiky tekutin (CFD) na vysokorychlostních digitálních počítačích snížily požadavky na testování v aerodynamickém tunelu.

Měření aerodynamických sil

Rychlost a tlak vzduchu se v aerodynamických tunelech měří několika způsoby.

Rychlost vzduchu procházející zkušební sekcí je určena Bernoulliho principem . Měření dynamického tlaku , statického tlaku a (pouze u stlačitelného proudění ) nárůstu teploty v proudu vzduchu. Směr proudění vzduchu kolem modelu lze určit pomocí chomáčů příze připevněných k aerodynamickým plochám. Směr proudění vzduchu přibližujícího se k povrchu lze vizualizovat montáží závitů do proudu vzduchu před a za testovací model. Kouř nebo bublinky kapaliny mohou být zavedeny do proudu vzduchu před testovacím modelem a jejich dráha kolem modelu může být vyfotografována (viz velocimetrie obrazu částic ).

Aerodynamické síly na testovacím modelu jsou obvykle měřeny pomocí paprskových vah , připojených k testovacímu modelu pomocí paprsků, provázků nebo kabelů.

Rozložení tlaku v testovacím modelu bylo historicky měřeno vrtáním mnoha malých otvorů podél cesty proudění vzduchu a použitím vícetrubkových manometrů k měření tlaku v každém otvoru. Rozložení tlaku lze pohodlněji měřit použitím tlakově citlivé barvy , ve které je vyšší lokální tlak indikován sníženou fluorescencí barvy v tomto bodě. Rozložení tlaku lze také pohodlně měřit pomocí tlakových pásů citlivých na tlak , což je nedávný vývoj, ve kterém je do flexibilního pásku integrováno více modulů ultraminiaturizovaných tlakových senzorů. Pás je připevněn k aerodynamickému povrchu páskou a vysílá signály znázorňující rozložení tlaku podél jeho povrchu.

Rozložení tlaku na testovacím modelu lze také určit provedením průzkumu bdělosti , při kterém se buď použije jedna pitotova trubice k získání více hodnot za testovacím modelem, nebo se za testovacím modelem namontuje vícetrubkový manometr a všechny jeho odečty se odečítají. .

Aerodynamické vlastnosti objektu nemohou u zmenšeného modelu zůstat všechny stejné. Při dodržení určitých pravidel podobnosti však lze dosáhnout velmi uspokojivé korespondence mezi aerodynamickými vlastnostmi zmenšeného modelu a objektu v plné velikosti. Výběr parametrů podobnosti závisí na účelu testu, ale nejdůležitějšími podmínkami, které je třeba splnit, jsou obvykle:

  • Geometrická podobnost: všechny rozměry objektu musí mít proporcionální měřítko;
  • Machovo číslo : poměr rychlosti vzduchu k rychlosti zvuku by měl být identický pro zmenšený model a skutečný objekt (mít identické Machovo číslo v aerodynamickém tunelu a kolem skutečného objektu -nerovná se mít stejné rychlosti vzduchu)
  • Reynoldsovo číslo : poměr setrvačných sil k viskózním silám by měl být zachován. Tento parametr je obtížné uspokojit se zmenšeným modelem a vedl k vývoji tlakových a kryogenních aerodynamických tunelů, ve kterých lze viskozitu pracovní tekutiny značně měnit, aby se kompenzovalo zmenšené měřítko modelu.

V určitých konkrétních testovacích případech musí být splněny další parametry podobnosti, jako např. Froudeho číslo .

Dějiny

Origins

Anglický vojenský inženýr a matematik Benjamin Robins (1707–1751) vynalezl přístroj s vířivým ramenem k určení odporu a provedl jedny z prvních experimentů v teorii letectví.

Sir George Cayley (1773–1857) také používal vířivou ruku k měření odporu a vztlaku různých profilů. Jeho vířící paže byla 5 stop (1,5 m) dlouhá a dosahovala maximální rychlosti mezi 10 a 20 stopami za sekundu (3 až 6 m/s).

Otto Lilienthal používal točivé rameno, aby přesně změřil profily křídel s různými úhly náběhu , čímž stanovil jejich polární diagramy poměru zdvihu a odporu , ale postrádal představy o indukovaném odporu a Reynoldsových číslech .

Replika větrného tunelu bratří Wrightů
Eiffelovy aerodynamické tunely v laboratoři Auteuil

Vířící rameno však nevytváří spolehlivý proud vzduchu napadajícího zkušební tvar při normálním dopadu. Odstředivé síly a skutečnost, že se objekt pohybuje ve vlastní stopě, znamená, že podrobné zkoumání proudění vzduchu je obtížné. Francis Herbert Wenham (1824–1908), člen rady Aeronautical Society of Great Britain , řešil tyto problémy tím, že v roce 1871 vynalezl, navrhl a provozoval první uzavřený aerodynamický tunel. Jakmile bylo dosaženo tohoto průlomu, byla rychle získána podrobná technická data. pomocí tohoto nástroje. Wenhamovi a jeho kolegovi Johnu Browningovi se připisuje mnoho zásadních objevů, včetně měření poměrů l/d a odhalení blahodárných účinků vysokého poměru stran .

Konstantin Ciolkovskij postavil v roce 1897 aerodynamický tunel s odstředivým dmychadlem a určil koeficienty odporu plochých desek, válců a koulí.

Dánský vynálezce Poul la Cour použil aerodynamické tunely ve svém procesu vývoje a zdokonalování technologie větrných turbín na počátku 90. let 19. století. Carl Rickard Nyberg použil aerodynamický tunel při navrhování svého Fluganu od roku 1897 a dále.

V klasickém souboru experimentů Angličan Osborne Reynolds (1842–1912) z University of Manchester prokázal, že vzor proudění vzduchu nad zmenšeným modelem by byl stejný pro plnohodnotné vozidlo, pokud by určitý parametr proudění byl stejný v obou. případy. Tento faktor, nyní známý jako Reynoldsovo číslo , je základním parametrem při popisu všech situací proudění tekutiny, včetně tvarů proudění, snadného přenosu tepla a nástupu turbulence. To zahrnuje ústřední vědecké zdůvodnění pro použití modelů v aerodynamických tunelech k simulaci skutečných jevů. Existují však omezení podmínek, ve kterých je dynamická podobnost založena pouze na Reynoldsově čísle.

The Wright Brothers použití "jednoduchého aerodynamického tunelu v 1901 studovat účinky airflow přes různé tvary zatímco se vyvíjí jejich Wright Flyer byl v některých ohledech revoluční. Z výše uvedeného je však vidět, že prostě používali tehdejší přijímanou technologii, i když to v Americe ještě nebyla běžná technologie.

Ve Francii , Gustave Eiffel (1832-1923) postavil svůj první open-zpáteční aerodynamického tunelu v roce 1909, poháněný elektromotorem 50 kW, na Champs-de-Mars, u paty věže, která nese jeho jméno.

Mezi lety 1909 a 1912 provedl Eiffel ve svém aerodynamickém tunelu asi 4000 testů a jeho systematické experimentování stanovilo nové standardy pro letecký výzkum. V roce 1912 byla Eiffelova laboratoř přemístěna do Auteuil, předměstí Paříže, kde jeho aerodynamický tunel s dvoumetrovým zkušebním úsekem funguje dodnes. Eiffel výrazně zlepšil účinnost větrného tunelu s otevřeným zpětným chodem uzavřením testovací sekce do komory, navržením rozšířeného vstupu s voštinovým usměrňovačem proudění a přidáním difuzoru mezi testovací sekci a ventilátor umístěný na konci difuzoru po proudu; toto bylo uspořádání následované množstvím aerodynamických tunelů později postavených; ve skutečnosti se nízkorychlostní větrný tunel s otevřeným návratem často nazývá větrný tunel Eiffelova typu.

Široké použití

Německá letecká laboratoř, 1935

Následné použití aerodynamických tunelů se rozšířilo jako věda o aerodynamike a disciplína leteckého inženýrství a byly vyvinuty letecké cestování a energie.

Americké námořnictvo v roce 1916 postavilo jeden z největších aerodynamických tunelů na světě v té době na Washington Navy Yard. Vstup měl téměř 11 stop (3,4 m) v průměru a výtlačná část měla průměr 7 stop (2,1 m). Elektrický motor o výkonu 500 k poháněl lopatky ventilátoru lopatkového typu.

V roce 1931 NACA postavila 30 stop krát 60 stop rozsáhlý aerodynamický tunel v Langley Research Center v Langley ve Virginii. Tunel poháněla dvojice ventilátorů poháněných elektromotory o výkonu 4000 koní. Uspořádání bylo ve formátu s dvojitým návratem a uzavřenou smyčkou a mohlo pojmout mnoho skutečných letadel v plné velikosti i zmenšených modelů. Tunel byl nakonec uzavřen, a přestože byl v roce 1995 prohlášen za národní kulturní památku , v roce 2010 začala demolice.

Až do druhé světové války se největší aerodynamický tunel na světě, postavený v letech 1932–1934, nacházel na předměstí Paříže, Chalais-Meudon , Francie. Byl navržen pro testování letadel plné velikosti a měl šest velkých ventilátorů poháněných vysoce výkonnými elektromotory. Aerodynamický tunel Chalais-Meudon používala ONERA pod názvem S1Ch do roku 1976 při vývoji např . letounů Caravelle a Concorde . Dnes je tento aerodynamický tunel zachován jako národní památka.

Ludwig Prandtl byl učitelem Theodora von Kármána na univerzitě v Göttingenu a navrhl stavbu aerodynamického tunelu pro testy vzducholodí, které navrhovali. Vír ulice turbulence proudu z válce byla testována v tunelu. Když se později přestěhoval na univerzitu v Cáchách , vzpomínal na využití tohoto zařízení:

Vzpomněl jsem si, že aerodynamický tunel v Göttingenu byl založen jako nástroj pro studium chování Zeppelinů, ale že se ukázal jako cenný pro všechno ostatní od určení směru kouře z lodního komína až po to, zda dané letadlo poletí. Cítil jsem, že pokrok v Cáchách by byl prakticky nemožný bez dobrého aerodynamického tunelu.

Když von Kármán začal konzultovat s Caltechem , spolupracoval s Clarkem Millikanem a Arthurem L. Kleinem. Namítal proti jejich konstrukci a trval na zpětném toku, který by zařízení učinil „nezávislým na kolísání vnější atmosféry“. Byl dokončen v roce 1930 a používán pro testování Northrop Alpha .

V roce 1939 se generál Arnold zeptal, co je potřeba k postupu USAF, a von Kármán odpověděl: "Prvním krokem je vybudovat správný aerodynamický tunel." Na druhou stranu, po úspěších Bell X-2 a vyhlídkách na pokročilejší výzkum, napsal: „Byl jsem pro konstrukci takového letadla, protože jsem nikdy nevěřil, že můžete získat všechny odpovědi z větru. tunel."

druhá světová válka

V roce 1941 USA postavily jeden z největších aerodynamických tunelů té doby na Wright Field v Daytonu, Ohio. Tento aerodynamický tunel začíná na 45 stopách (14 m) a zužuje se na 20 stop (6,1 m) v průměru. Dva 40stopé (12 m) ventilátory byly poháněny elektromotorem o výkonu 40 000 hp. Velké modely letadel mohly být testovány při rychlosti vzduchu 400 mph (640 km/h).

Aerodynamický tunel používaný německými vědci v Peenemünde před a během druhé světové války je zajímavým příkladem obtíží spojených s rozšířením užitečného rozsahu velkých aerodynamických tunelů. Využilo to některé velké přírodní jeskyně, které byly zvětšeny vykopávkami a poté zapečetěny, aby ukládaly velké objemy vzduchu, který pak mohl být směrován skrz větrné tunely. Tento inovativní přístup umožnil laboratorní výzkum ve vysokorychlostních režimech a výrazně urychlil tempo pokroku německého úsilí v oblasti leteckého inženýrství. Do konce války mělo Německo nejméně tři různé nadzvukové aerodynamické tunely, z nichž jeden byl schopen proudění vzduchu 4,4 Mach (vyhřívaný).

Velký větrný tunel ve výstavbě poblíž Oetztalu v Rakousku by měl dva ventilátory přímo poháněné dvěma hydraulickými turbínami o výkonu 50 000 koňských sil . Instalace nebyla do konce války dokončena a demontované zařízení bylo v roce 1946 odesláno do Modane ve Francii, kde bylo znovu vztyčeno a je zde stále provozováno společností ONERA . Se svým 8m testovacím úsekem a vzdušnou rychlostí až 1 Mach jde o největší zařízení v transsonickém aerodynamickém tunelu na světě.

22. června 1942 Curtiss-Wright financoval stavbu jednoho z největších podzvukových aerodynamických tunelů v zemi v Buffalu, NY První beton pro stavbu byl nalit 22. června 1942 na místě, které se nakonec stalo Calspanem, kde byl největší nezávisle vlastněný aerodynamický tunel. ve Spojených státech stále funguje.

Do konce druhé světové války postavily USA osm nových aerodynamických tunelů, včetně největšího na světě na Moffett Field poblíž Sunnyvale v Kalifornii, který byl navržen pro testování letadel plné velikosti při rychlostech nižších než 250 mph a vertikálním aerodynamický tunel ve Wright Field, Ohio, kde proudění větru směřuje nahoru pro testování modelů v situacích vývrtky a konceptů a konstrukčních návrhů pro první primitivní vrtulníky létající v USA.

Po 2. světové válce

Test NACA v aerodynamickém tunelu na lidském subjektu, který ukazuje účinky vysokých rychlostí větru na lidskou tvář

Pozdější výzkum proudění vzduchu blízkých nebo vyšších rychlostí zvuku použil související přístup. Kovové tlakové komory byly používány k ukládání vysokotlakého vzduchu, který byl poté urychlován tryskou navrženou tak, aby poskytovala nadzvukové proudění. Pozorovací nebo přístrojová komora ("testovací úsek") byla poté umístěna na správné místo v hrdle nebo trysce pro požadovanou rychlost vzduchu.

Ve Spojených státech vedly obavy ze zaostávání amerických výzkumných zařízení ve srovnání s těmi, které postavili Němci k zákonu Unitary Wind Tunnel Plan Act z roku 1949, který povoloval výdaje na výstavbu nových aerodynamických tunelů na univerzitách a vojenských místech. Některé německé válečné aerodynamické tunely byly demontovány pro přepravu do Spojených států jako součást plánu na využití německého technologického vývoje.

Pro omezené aplikace může výpočetní dynamika tekutin (CFD) doplnit nebo případně nahradit použití aerodynamických tunelů. Například experimentální raketové letadlo SpaceShipOne bylo navrženo bez použití aerodynamických tunelů. Při jedné zkoušce však byly letové závity připevněny k povrchu křídel, přičemž se během skutečného letu prováděl test typu aerodynamického tunelu, aby se zpřesnil výpočetní model. Tam, kde je přítomno externí turbulentní proudění, není CFD praktické kvůli omezením současných počítačových zdrojů. Například oblast, která je pro použití CFD stále příliš složitá, určuje účinky proudění na a kolem konstrukcí, mostů, terénu atd.

Příprava modelu v Kirsten Wind Tunnel, podzvukovém aerodynamickém tunelu na University of Washington

Nejúčinnějším způsobem simulace vnějšího turbulentního proudění je použití větrného tunelu mezní vrstvy.

Existuje mnoho aplikací pro modelování aerodynamického tunelu mezní vrstvy. Například pochopení dopadu větru na výškové budovy, továrny, mosty atd. může projektantům budov pomoci postavit konstrukci, která co nejúčinněji odolá účinkům větru. Další významnou aplikací pro modelování aerodynamického tunelu na mezní vrstvě je pochopení vzorců rozptylu výfukových plynů pro nemocnice, laboratoře a další zdroje emisí. Dalšími příklady aplikací mezní vrstvy v aerodynamickém tunelu jsou hodnocení pohodlí chodců a sněhové nanášení. Modelování aerodynamických tunelů je přijímáno jako metoda pro pomoc při navrhování zelených budov . Například použití modelování hraniční vrstvy aerodynamického tunelu lze použít jako kredit pro certifikaci Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) prostřednictvím US Green Building Council.

Lopatky ventilátoru 16 stop transonického aerodynamického tunelu Langley Research Center v roce 1990, než byl v roce 2004 vyřazen

Testy v aerodynamickém tunelu v aerodynamickém tunelu s mezní vrstvou umožňují simulovat přirozený odpor zemského povrchu. Pro přesnost je důležité simulovat střední profil rychlosti větru a účinky turbulence v mezní vrstvě atmosféry. Většina kódů a norem uznává, že testování v aerodynamickém tunelu může poskytnout konstruktérům spolehlivé informace, zejména pokud jsou jejich projekty ve složitém terénu nebo na exponovaných místech.

Ve Spojených státech bylo za posledních 20 let vyřazeno z provozu mnoho aerodynamických tunelů, včetně některých historických zařízení. Na zbývající aerodynamické tunely je vyvíjen tlak v důsledku klesajícího nebo nepravidelného používání, vysokých nákladů na elektřinu a v některých případech vysoké hodnoty nemovitosti, na které zařízení stojí. Na druhou stranu validace CFD stále vyžaduje data z větrného tunelu a v dohledné době tomu tak pravděpodobně bude. Byly provedeny studie a probíhají další studie, které mají posoudit budoucí potřeby vojenských a komerčních aerodynamických tunelů, ale výsledek zůstává nejistý. V poslední době rostoucí používání tryskových motorových bezpilotních prostředků ["výzkumných dronů"] nahradilo některá tradiční použití aerodynamických tunelů. Nejrychlejším větrným tunelem na světě je od roku 2019 aerodynamický tunel LENS-X, který se nachází v Buffalu v New Yorku.

Jak to funguje

Šestiprvková externí rovnováha pod větrným tunelem Kirsten

Vzduch je vyfukován nebo nasáván potrubím vybaveným pozorovacím otvorem a přístrojovým vybavením, kde jsou namontovány modely nebo geometrické tvary pro studium. Vzduch se obvykle pohybuje tunelem pomocí řady ventilátorů. U velmi velkých aerodynamických tunelů o průměru několika metrů není jeden velký ventilátor praktický, a tak se místo toho používá řada více ventilátorů paralelně, aby bylo zajištěno dostatečné proudění vzduchu. Vzhledem k požadovanému objemu a rychlosti pohybu vzduchu mohou být ventilátory poháněny spíše stacionárními turbodmychadly než elektromotory.

Proud vzduchu vytvořený ventilátory, který je vstupem do tunelu, je sám o sobě vysoce turbulentní vzhledem k pohybu lopatek dmychadla (když je ventilátor fouká vzduch do testovacího úseku -, když je sání vzduchu z testovací části po proudu, ventilátor s lopatkami turbulence není faktorem), a proto není přímo užitečný pro přesná měření. Vzduch pohybující se tunelem musí být relativně bez turbulencí a laminární . K nápravě tohoto problému se používají blízko umístěné vertikální a horizontální vzduchové lopatky k vyhlazení turbulentního proudění vzduchu před dosažením předmětu testování.

Kvůli účinkům viskozity je průřez větrného tunelu obvykle spíše kruhový než čtvercový, protože v rozích čtvercového tunelu bude větší zúžení proudění, které může způsobit turbulentnost proudění. Kruhový tunel zajišťuje hladší tok.

Vnitřní obklad tunelu je typicky co nejhladší, aby se snížil povrchový odpor a turbulence, které by mohly ovlivnit přesnost testování. Dokonce i hladké stěny způsobují určitý odpor do proudění vzduchu, a proto je testovaný objekt obvykle držen blízko středu tunelu, s prázdnou nárazníkovou zónou mezi objektem a stěnami tunelu. Existují korekční faktory, které spojují výsledky zkoušek v aerodynamickém tunelu s výsledky pod širým nebem.

Osvětlení je obvykle zapuštěno do kruhových stěn tunelu a svítí dovnitř okny. Pokud by bylo světlo namontováno na vnitřní povrch tunelu konvenčním způsobem, žárovka by generovala turbulence, jak kolem ní proudí vzduch. Podobně se pozorování obvykle provádí průhlednými okénky do tunelu. Tato osvětlovací a pozorovací okénka mohou být spíše než pouhé ploché kotouče zakřivená, aby odpovídala průřezu tunelu a dále snižovala turbulence kolem okénka.

Pro studium skutečného proudění vzduchu kolem geometrie a jeho porovnání s teoretickými výsledky se používají různé techniky, které musí pro režim provozu brát v úvahu i Reynoldsovo číslo a Machovo číslo .

Měření tlaku

Tlak přes povrchy modelu lze měřit, pokud model obsahuje tlakové odbočky. To může být užitečné pro jevy ovládané tlakem, ale to odpovídá pouze normálním silám působícím na tělo.

Měření sil a momentů

Typický koeficient vztlaku versus úhel náběhové křivky

S modelem namontovaným na silové rovnováze lze měřit vztlak, odpor, boční síly, stáčení, klopení a klopné momenty v rozsahu úhlu náběhu . To umožňuje vytvářet běžné křivky, jako je koeficient zdvihu versus úhel náběhu (zobrazeno).

Všimněte si, že rovnováha sil sama o sobě vytváří odpor a potenciální turbulence, které ovlivní model a zanesou chyby do měření. Nosné konstrukce jsou proto typicky hladce tvarované, aby se minimalizovaly turbulence.

Vizualizace toku

Protože vzduch je průhledný, je obtížné přímo pozorovat samotný pohyb vzduchu. Místo toho bylo vyvinuto několik metod kvantitativních i kvalitativních metod vizualizace proudění pro testování v aerodynamickém tunelu.

Kvalitativní metody

  • Kouř
  • Injekce oxidu uhličitého
  • Na model lze aplikovat trsy, mini trsy nebo kužely toku a zůstat připojeny během testování. Trsy lze použít k měření vzorů proudění vzduchu a oddělení proudění. Trsy jsou někdy vyrobeny z fluorescenčního materiálu a jsou osvětleny černým světlem, aby se usnadnilo vizualizaci.
  • Odpařovací suspenze jsou jednoduše směsí nějakého druhu nebo jemného prášku, mastku nebo hlíny smíchané do kapaliny s nízkým latentním teplem odpařování. Když je zapnutý vítr, kapalina se rychle odpařuje a zanechává za sebou jíl ve vzoru charakteristickém pro proudění vzduchu.
  • Olej: Když je olej aplikován na povrch modelu, může jasně ukázat přechod od laminárního k turbulentnímu proudění a také separaci proudění.
  • Tempera Paint: Podobně jako olej lze temperovou barvu nanést na povrch modelu tak, že nejprve nanesete barvu v rozmístěných bodech. Po spuštění aerodynamického tunelu lze identifikovat směr proudění a separaci. Další strategií při použití temperové barvy je použití černého světla k vytvoření světelného vzoru toku s temperovou barvou.
  • Mlha (obvykle z vodních částic) se vytváří pomocí ultrazvukového piezoelektrického nebulizéru . Mlha je transportována uvnitř aerodynamického tunelu (nejlépe typu s uzavřeným okruhem a uzavřeným zkušebním úsekem). Před zkušební úsek je vložena elektricky vyhřívaná mřížka, která ve svém okolí odpařuje částice vody a tvoří tak mlžné vrstvy. Mlžné listy fungují jako proudnice nad testovacím modelem, když jsou osvětleny světelnou vrstvou.
  • Sublimace: Pokud je pohyb vzduchu v tunelu dostatečně neturbulentní, proud částic uvolněný do proudu vzduchu se při pohybu vzduchu nerozbije, ale zůstane pohromadě jako ostrá tenká čára. Vícenásobné proudy částic uvolňované z mřížky mnoha trysek mohou poskytnout dynamický trojrozměrný tvar proudění vzduchu kolem těla. Stejně jako u silového vyvážení musí být tyto vstřikovací trubky a trysky tvarovány způsobem, který minimalizuje zavádění turbulentního proudu vzduchu do proudu vzduchu.
  • Sublimace (alternativní definice): Technika vizualizace proudění spočívá v potažení modelu sublimovatelným materiálem, kde po zapnutí větru v oblastech, kde je proudění vzduchu laminární, materiál zůstane připojený k modelu, zatímco naopak v turbulentních oblastech materiál. se z modelu vypaří. Tato technika se primárně používá k ověření, že vypínací tečky umístěné na náběžné hraně za účelem vynucení přechodu úspěšně dosahují zamýšleného cíle.

Vysokorychlostní turbulence a víry může být obtížné přímo vidět, ale stroboskopická světla a filmové kamery nebo vysokorychlostní digitální fotoaparáty mohou pomoci zachytit události, které jsou pouhým okem rozmazané.

Vysokorychlostní kamery jsou také vyžadovány, když se předmět testu sám pohybuje vysokou rychlostí, jako je například vrtule letadla. Kamera dokáže zachytit stop-motion obrazy toho, jak lopatka prořezává proudy částic a jak se generují víry podél zadních hran pohybující se lopatky.

Kvantitativní metody

  • Tlakově citlivá barva (PSP): PSP je technika, při které je model nastříkán barvou, která reaguje na změny tlaku změnou barvy. Ve spojení s touto technikou jsou kamery obvykle umístěny ve strategických pozorovacích úhlech skrz stěny, strop a podlahu aerodynamického tunelu, aby fotografovaly model za větru. Fotografické výsledky lze digitalizovat za účelem vytvoření úplného rozložení vnějších tlaků působících na model a následně je zmapovat do výpočtové geometrické sítě pro přímé srovnání s výsledky CFD. Měření PSP může být účinné při zachycování změn tlaku napříč modelem, často však vyžadují dodatečné tlakové odbočky na povrchu modelu k ověření absolutní velikosti tlakových koeficientů. Důležitou vlastností dobře chovaných barev PSP je, že by také neměly být citlivé na teplotní vlivy, protože teplota uvnitř aerodynamického tunelu se může po nepřetržitém provozu značně měnit. Mezi běžné potíže, se kterými se setkáváme při používání PSP, patří neschopnost přesně změřit efekty náběžné a zadní hrany v oblastech, kde je velké zakřivení kvůli omezení schopnosti kamer získat výhodný pozorovací úhel. Navíc se někdy vyhýbá aplikaci PSP na náběžnou hranu, protože zavádí konečnou tloušťku, která by mohla způsobit předčasné oddělení toku, a tím poškodit výsledky. Protože kolísání tlaku na náběžné hraně je typicky primárním zájmem, nedostatek přesných výsledků v této oblasti je velmi problematický. Jakmile je model natřen barvou citlivou na tlak, je známo, že některé barvy přilnou a fungují ještě několik měsíců po prvotní aplikaci. Konečně je známo, že barvy PSP mají určité frekvenční charakteristiky, kdy některé vyžadují několik okamžiků ke stabilizaci před dosažením přesných výsledků, zatímco jiné rychle konvergují. V druhém případě barvy, které mají schopnost odrážet rychlé změny tlaku, mohou být použity pro aplikace Dynamic PSP, kde je záměrem měřit nestabilní průtokové charakteristiky.
  • Particle Image Velocimetry (PIV): PIV je technika, při které je laserová fólie emitována štěrbinou ve stěně tunelu, kde je zobrazovací zařízení schopno sledovat místní směr rychlosti částic v rovině laserové fólie. Někdy tato technika zahrnuje naočkování proudu vzduchu pozorovatelným materiálem. Tato technika umožňuje kvantitativní měření rychlosti a směru toku přes oblasti zachycené v rovině laseru.
  • Měření deformace modelu (MDM): MDM funguje tak, že umístí značky na známá geometrická místa na modelu aerodynamického tunelu a pořídí fotografie změny umístění značky, když je aplikován vítr v tunelu. Analýzou změny polohy značky z různých úhlů pohledu kamery lze vypočítat translační změnu umístění značky. Shromážděním výsledků z několika značek lze vypočítat míru, do jaké je model pružně poddajný kvůli zatížení vzduchem.

Klasifikace

Existuje mnoho různých druhů aerodynamických tunelů. Obvykle jsou klasifikovány podle rozsahu rychlostí, kterých je dosaženo v testovací části, a to následovně:

Aerodynamické tunely jsou také klasifikovány podle orientace proudění vzduchu ve zkušebním úseku s ohledem na gravitaci. Obvykle jsou orientovány vodorovně, jak se to stává během vodorovného letu . Jiná třída aerodynamických tunelů je orientována vertikálně, takže gravitace může být vyvážena odporem namísto vztlaku, a tyto se staly oblíbenou formou rekreace pro simulaci potápění :

Aerodynamické tunely jsou také klasifikovány na základě jejich hlavního použití. Pro ty, které se používají s pozemními vozidly, jako jsou osobní a nákladní automobily, je také důležitý typ aerodynamiky podlahy. Ty se liší od stacionárních podlah až po plně pohyblivé podlahy, přičemž důležité jsou také menší pohyblivé podlahy a určitý pokus o hraniční úroveň.

Aeronautické aerodynamické tunely

Hlavní podkategorie v leteckých aerodynamických tunelech jsou:

Tunely s vysokým Reynoldsovým číslem

Reynoldsovo číslo je jedním z řídících parametrů podobnosti pro simulaci proudění v aerodynamickém tunelu. Pro Machovo číslo menší než 0,3 je to primární parametr, který řídí charakteristiky proudění. Existují tři hlavní způsoby, jak simulovat vysoké Reynoldsovo číslo, protože není praktické získat Reynoldsovo číslo v plném měřítku pomocí vozidla v plném měřítku.

  • Tlakové tunely: Zde jsou testovací plyny natlakovány, aby se zvýšilo Reynoldsovo číslo.
  • Těžké plynové tunely: Jako testovací plyny se používají těžší plyny jako freon a R-134a . Transsonický dynamický tunel v NASA Langley je příkladem takového tunelu.
  • Kryogenní tunely: Zde se zkušební plyn ochladí, aby se zvýšilo Reynoldsovo číslo. Evropská transonic aerodynamickém tunelu používá tuto techniku.
  • Výškové tunely: Jsou navrženy k testování účinků rázových vln proti různým tvarům letadel v téměř vakuu. V roce 1952 postavila Kalifornská univerzita první dva větrné tunely ve vysokých nadmořských výškách: jeden pro testování objektů ve výšce 50 až 70 mil nad zemí a druhý pro testy ve výšce 80 až 200 mil nad zemí.

tunely V/STOL

Tunely V/STOL vyžadují velký průřez, ale pouze malé rychlosti. Vzhledem k tomu, že výkon se mění s třetí mocninou rychlosti, je výkon potřebný pro operaci také menší. Příkladem tunelu V/STOL je tunel NASA Langley 14' x 22'.

Spřádat tunely

Letadla mají tendenci se točit, když se zastaví . Tyto tunely se používají ke studiu tohoto jevu.

Automobilové tunely

Automobilové aerodynamické tunely spadají do dvou kategorií:

  • Vnější proudové tunely se používají ke studiu vnějšího proudění skrz podvozek
  • Klimatické tunely se používají k hodnocení výkonu dveřních systémů, brzdových systémů atd. za různých klimatických podmínek. Většina předních výrobců automobilů má své vlastní klimatické aerodynamické tunely

Wunibald Kamm postavil první plnohodnotný aerodynamický tunel pro motorová vozidla.

Pro vnější průtočné tunely se používají různé systémy pro kompenzaci vlivu mezní vrstvy na vozovku, včetně systémů pohyblivých pásů pod každým kolem a karoserií vozu (5 nebo 7 pásových systémů) nebo jednoho velkého pásu pod celou auto nebo jiné metody kontroly hraniční vrstvy, jako jsou nabírání nebo perforace k jejímu odsátí.

Aeroakustické tunely

Tyto tunely se používají při studiích hluku generovaného prouděním a jeho potlačení.

Vertikální aerodynamický tunel T-105 v Central Aerohydrodynamic Institute , Moskva, postavený v roce 1941 pro testování letadel

Vysoká entalpie

Větrný tunel s vysokou entalpií je určen ke studiu proudění vzduchu kolem objektů pohybujících se rychlostí mnohem vyšší, než je místní rychlost zvuku ( hypersonické rychlosti). " Entalpie " je celková energie proudu plynu, složená z vnitřní energie způsobené teplotou, součinem tlaku a objemu a rychlosti proudění. Duplikace podmínek hypersonického letu vyžaduje velké objemy vysokotlakého ohřátého vzduchu; velké tlakové horké nádrže a elektrické oblouky jsou dvě používané techniky.

Aquadynamický žlab

Aerodynamické principy aerodynamického tunelu fungují stejně na plavidlech, kromě toho, že voda je viskóznější, a tak působí na testovaný objekt větší síly. Pro podvodní akvadynamické testování se obvykle používá smyčkový žlab . Interakce mezi dvěma různými typy kapalin znamená, že čisté testování v aerodynamickém tunelu je relevantní pouze částečně. Podobný druh výzkumu se však provádí v tažné nádrži .

Nízkorychlostní testování nadměrné velikosti

Vzduch není vždy nejlepším testovacím médiem pro studium aerodynamických principů v malém měřítku kvůli rychlosti proudění vzduchu a pohybu profilu. Studie křídel ovocných mušek navržená tak, aby pochopila, jak křídla vytvářejí vztlak, byla provedena s použitím velké nádrže minerálního oleje a křídel 100krát větších, než je skutečná velikost, aby se zpomalily údery křídel a usnadnily se víry generované křídly hmyzu. vidět a pochopit.

Testování ventilátoru

Provádějí se také testy v aerodynamickém tunelu pro přesné měření pohybu vzduchu ventilátorů při specifickém tlaku. Zjištěním okolních podmínek během měření a následnou revizí vzduchotěsnosti je zajištěna standardizace dat.

Existují dva možné způsoby měření: kompletní ventilátor nebo oběžné kolo na hydraulické instalaci. Dvě měřicí trubice umožňují měření nižších proudů vzduchu (< 30 000 m 3 /h) i vyšších proudů vzduchu (< 60 000 m 3 /h). Stanovení křivky Q/h ventilátoru je jedním z hlavních cílů. Pro stanovení této křivky (a pro definování dalších parametrů) se měří vzduchotechnická, mechanická a elektrotechnická data:

Vzduchová technická:

  • Rozdíl statického tlaku (Pa)
  • Množství dopravovaného vzduchu (m 3 /h)
  • Průměrná rychlost vzduchu (m/s)
  • Měrná účinnost (W/1000 m 3 /h)
  • Účinnost

Elektrotechnické:

  • Napětí (V)
  • proud (A)
  • Cos φ
  • Příkon (W) ventilátor / oběžné kolo
  • Otáčky za minutu (RPM)

Měření může probíhat na ventilátoru nebo v aplikaci, ve které se ventilátor používá.

Testování větrné techniky

Ve větrném inženýrství se testy v aerodynamickém tunelu používají k měření rychlosti kolem a sil nebo tlaků na konstrukce. Velmi vysoké budovy, budovy s neobvyklými nebo komplikovanými tvary (jako je vysoká budova s ​​parabolickým nebo hyperbolickým tvarem), lanové visuté mosty nebo zavěšené lanové mosty jsou analyzovány ve specializovaných aerodynamických tunelech s mezní vrstvou atmosféry. Ty se vyznačují dlouhou částí proti větru, která přesně znázorňuje rychlost větru a profil turbulence působící na konstrukci. Testy v aerodynamickém tunelu poskytují potřebná návrhová měření tlaku při použití dynamické analýzy a řízení vysokých budov.

Viz také

Reference

Další čtení

  • Jewel B. Barlow, William H. Rae, Jr., Allan Pope: Testování nízkorychlostních aerodynamických tunelů (3. vydání) ISBN  978-0-471-55774-6

externí odkazy