Hw,g
 
دانشگاه ----
عنوان مقاله :
---
----
 
استاد راهنما:
جناب ---
گردآورنده:
---
سال ---
فهرست مطالب
تاریخچه تونل باد. 3
طبقه بندی انواع تونل باد. 5
تجهیزات اولیه در تونل باد. 6
آشکار سازی جریان روی بال.. 6
انعکاس شاک در تونل باد مافوق صوت... 7
خواص تونل باد برای شش رژیم سرعتی.. 10
تونل باد مافوق صوت متغیر نامتقارن.. 11
تونل باد مافوق صوت... 12
افزایش و بهبود عملکرد تونلهای باد مافوق صوت... 13
کاهش اغتشاش در تونل باد. 14
تونل های باد چگونه کار می کنند؟ 16
انواع تونل های باد. 18
اجزای تونل باد. 18
منابع.. 22
 
 
 
تونل های بادی
تاریخچه تونل باد
قبل از اختراع تونل باد برادران رایت، مطالعات و آزمایشات آیرودینامیکی دستگاه بازوی چرخنده انجام می‌شد. این دستگاه اولین بار در سال ۱۸۰۰ میلادی توسط سر جرج کیلی توسعه پیدا کرد.برادران رایت با همکاری اکتاو چانت در سال ۱۹۰۱ برای مطالعه تاثیرات جریان هوا روی اشکال مختلف اقدام به طراحی و ساخت تونل باد ساده‌ای نمودند. این تونل باد ساده اخیرا نیز برای تست پرنده مدرن و کم سرعت آلباتروس ، مورد استفاده قرار گرفته است.پس از آن با توسعه علم آیرودینامیک و پایه گذاری رشته مهندسی هوایی، استفاده از تونل باد نیز افزایش یافت.تونلهای باد معمولا از لحاظ حجم و سرعت جریان دارای محدودیت بودند. تونل بادی که قبل از جنگ جهانی دوم توسط آلمانیها مورد استفاده قرار گرفت، شامل حفره‌های طبیعی بزرگی بود که محتوی حجم زیادی از هوا بود که می‌توانست در مسیر تونل باد جریان یابد. این ابتکار باعث افزایش سرعت پیشرفت آلمانیها در صنایع هوایی گردید.در تحقیقات بعدی در زمینه جریان با سرعت نزدیک صوت یا مافوق صوت از این تکنولوژی استفاده شد. محفظه‌های فلزی فشار برای ذخیره‌سازی هوای پرفشار مورد استفاده قرار گرفتند. این هوا پس از عبور از نازل به سرعت مافوق صوت می‌رسید.
اگر چه طرح کلی یک تونل باد پیچیده است، ولی اکثر تونلهای باد از پنج قسمت اصلی تشکیل شده‌اند. این پنج قسمت در شکل زیر نشان داده شده‌اند.هنگامیکه هوا وارد محفظه تصفیه یعنی اولین بخش تونل می‌شود، اغتشاشات جریان هوا کاهش می‌یابد. وجود اغتشاش و هوای ناپایدار می‌تواند باعث تولید نیروهای غیرقابل پیش‌بینی در بخش تست شده و توانایی تونل را در شبیه‌سازی شرایط پروازی کاهش دهد. بیشتر محفظه‌ها شامل پرده‌های شبکه‌بندی سیمی و یک صاف‌کننده لانه زنبوری جریان هستند که مانع از چرخش جریان در درون تونل باد شده و جریان ملایمی را درون تونل بوجود می‌آورند. بعد از این مرحله هوا وارد مخروط انقباضی یا نازل می شود. سرعت هوا در حین عبور از این بخش افزایش می‌یابد و سپس وارد بخش تست می‌شود. این بخش معمولا مستطیل شکل است ولی در برخی از تونلهای باد به صورت جت باز خواهد بود. مدل یا نمونه آزمایش درون این بخش قرار گرفته و حسگرها تاثیر نیروهای لیفت و درگ را روی مدل اندازه‌گیری کند.قسمت بعد شامل یک دیفیوزر است که سرعت هوا را کاهش می‌دهد . بخش نهایی هوا را از تونل خارج می‌کند. نیروی لازم برای مکش هوا از طریق فنهای بزرگی که پهنای آنها به ۴۰ فوت نیز می‌رسد، تامین می‌شود.
کاربردهای تونل باد
بعضی از عملیاتهایی که بصورت معمول در تونلهای باد انجام می‌شود شامل موارد زیر است:
– اندازه‌گیری درگ/لیفت روی هواپیما، هلیکوپتر، موشک و ماشینهای مسابقه‌ای.
– مشخصات مربوط به ممان/لیفت/درگ ایرفویلها و بالها.
– پایداری استاتیکی هواپیماها و موشکها.
– پایداری دینامیکی مشتقات هراپیما.
– توزیع فشار سطحی روی تمامی سیستمها.
– مشاهده جریان (با دود، پودر سیلیکات منیزیم و یا روغن.
– عملکرد ملخ (گشتاور، تراست، توان، بازده و …
– عملکرد موتورهای تنفسی.
– تاثیرات باد روی ساختمانها، دکلها، پلها و اتومبیلها.
– ویژگیهای انتقال حرارت موتور و هواپیما.
البته تعدادی از این عملیات در تونلهای آب نیز قابل بررسی هستند.
طبقه بندی انواع تونل باد
تونلهای باد براساس ساختمان به دو دسته مدار بسته یا مدار باز تقسیم می‌شوند. در سیکل باز ورودی و خروجی تونل به هم متصل شده‌اند. این سیستم از نظر اقتصادی چندان مقرون به صرفه نیست بنابراین بیشتر تونلهای باد امروزه از نوع سیکل بسته هستند. در این نوع ، هوای استفاده شده پس از عبور از پره‌های مخصوصی دوباره مورد استفاده قرار می‌گیرد و بدین ترتیب افت انرژی و اغتشاش به حداقل مقدار خود می‌رسد.
انواع دیگر طبقه بندی نیز وجود دارد که شامل موارد زیر است:
بر حسب سرعت (مادون صوت، انتقالی، مافوق صوت و یا ماورا صوت). براساس فشار هوا ( اتمسفریک یا با چگالی متغیر) ، بر اساس اندازه (معمولی یا با مقیاس کامل). تعدادی تونل باد نیز وجود دارد که در گروه مشخصی قرار نمی‌گیرند. از انجمله تونلهای شاک، تونل جت پلاسما، تونل hot-shot و تونل metereologic را می توان نام برد.
تست‌ها برای رساندن نیروی برا به حداکثر و نیروی پسا به حداقل مقدار خود به کار می‌روند. تونل‌های باد بسیار پر هزینه و خطرناک می‌باشند. هوا در تونل بادهایی که با ۱۰ برابر سرعت صوت حرکت می‌کند ممکن است آن قدر سرد شود که به مایع تبدیل شود.
تست کردن در تونل باد با کار بسیار پیچیده‌ای می‌باشد و امروزه کم‌کم جای خود را به روش‌های CFD (دینامیک سیالات محاسبه‌ای) یا (computational fluid dynamics) می‌دهند. در این روش مدل به صورت کامپیوتری و با کمک معادلات پیچیده ریاضی ساخته می‌شود.
روش‌های کامپیوتری، جریان هوا بر روی بال را نیز مدل می‌کنند و به بررسی آن کمک فراوان می‌کنند.
تجهیزات اولیه در تونل باد
سیسنتمهای اندازه گیری فشار که فشار را به سیگنالهای الکتریکی با فرکانسهای مناسب برای ترانسدیوسرها و استرین‌گیج‌ها تبدیل می کنند. اندازه‌گیری دما، گرادیان دما و انتقال حرارت با ترموکوپل ترمستور و حسگرهای مقاوم انجام می‌شود. سطوح اغتشاشی نیز با سیستمهای لیزری (LDA,Laser Doppler Anemometry)، سیمهای داغ، بادسنجهای دمایی و سیستمهای ردیابی (PIV,Particle Image Velocimmetry) اندازه‌گیری می‌شوند.
تحلیل جهت جریان (خطوط جریان) با سیستمهای بسیار ساده که شامل قرار دادن دسته‌های پرزدار روی سطح مدل است انجام می شود. از روغن و رنگ برای اغتشاش وخطوط جریان روی سطح ، از دود برای مشاهده میدان جریان و از روش Schlieren photography نیز برای مشاهده امواج شاک استفاده می‌شود. روشهای دیگر شامل تکنیکهای shadowgraph و اینترفرومترهای نوری می‌شود. برای سرعتهای بالاتر از روشهای جذبی استفاده می شود.

آشکار سازی جریان روی بال

مشکل تداخل در تونل باد
تداخل در بخشهای مختلف تونل باد بدلیل انسداد مسیر جریان بوسیله مدل یا انعکاس امواج از دیواره در سرعتهای معادل یا مافوق صوت، بوجود می‌آید. انسداد که در تونلهای باد با سایز محدود در هنگام تست مدلهای بزرگ اتفاق می‌افتد، به صورت نسبت مساحت جلو مدل به مساحت قسمت تست تعریف می‌شود. نسبت انسداد باید همیشه از ۱۰ درصد کمتر باشد.
از آنجائیکه وجود مدل در قسمت تست مانع عبور جریان شده و باعث افزایش فشار روی دیواره‌های تونل می‌شود بنابراین گاهی از تونلهای باد با مقطع باز یا تونلهایی با دیواره‌های منفذدار استفاده می‌شود.
انعکاس شاک در تونل باد مافوق صوت
دوره پروازهای مافوق صوت
تونل‌های باد مافوق صوت و مادون صوت چه تفاوتهایی با هم دارند؟
در اواخر دهه ۱۹۴۰ شکستن دیوار صوتی مهمترین مسئله برای هواپیماهایی بود که می‌خواستند سریعتر و سریعتر پرواز کننداز طرفی در این دهه قیمت تولید هواپیماها نیز به سرعت افزایش یافت در نتیجه طراحان در صدد برآمدند تا بصورت ریاضی مدلسازی کرده و بدون ساختن خود هواپیما عملکرد آنرا شبیه‌سازی کنند. بنابراین هر دو مسئله باعث احساس نیاز بیشتری برای طراحی تونلهای باد پیچیده می‌شد.در یک تونل باد با قدرت هر چه تمامتر و فنهای قویتر، جریان هوا در نازکترین بخش قسمت تست شاک شده و به ماخ ۱ که همان سرعت صوت است، می‌رسد. هر اندازه که فنها سریعتر کار می‌کردند باز هم سرعت جریان هوا در این بخش همان ماخ ۱ باقی می‌ماند. مسئله مشابهی از این شاک در قسمت نازک موتورهای راکت نیز نیز اتفاق می‌افتد. با این وجود گازهای داغ خروجی از موتور راکت دارای سرعت مافوق صوت خواهند بود. بنابراین در تونلهای باد مافوق صوت نیز از نازل انبساطی مشابهی برای رسیدن به سرعت مافوق صوت استفاده می‌شود. ظاهرا بر خلاف واقع مدل نمونه در تونل باد در قسمت پایین دست جریان در گلوگاه یعنی جایی که شاک اتفاق می‌افتد، قرار می‌گیرد. در این قسمت از نازل مساحت سطح مقطع تونل افزایش می‌یابد ولی سرعت هوا کاهش نمی‌یابد بلکه تمامی انرژی پمپ شده بوسیله فنها که به صورت فشار و انرژی گرمایی ذخیره شده به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. موتور راکت نیز تقریبا همینطور کار می کند فقط انرژی آن بجای فن از طریق سوختن سوخت بدست می‌آید. جریان هوا هنگامیکه از کوچکترین سطح مقطع عبور می‌کند به سرعت مافوق صوت می‌رسد.
توسعه مهمی که در این دوره روی تونلهای باد انجام گرفت ایجاد شکافها یا سوراخهایی روی دیواره تونل بود. یکی از مشکلاتی که درون تونلهای باد وجود دارد اینست که جریان هوایی برخوردی از روی مدل میتواند به دیواره تونل آسیب برساند. جریان به سمت مدل برگشته و باعث بروز خطا در اندازه‌گیری‌های آزمایش می‌شود ری رایت محققی در لنگلی پیشنهاد کرد که با گذاشتن سوراخهایی روی دیواره تونل باد جریان هوای آرامی در اطراف مدل ایجاد کنیم.
تونل باد یک کانال می باشد که هوا با سرعت زیاد در آن جریان دارد و برای تست نمودن هواپیماها، خودروها و... به کار می رود. سرعت هوا در تونل باد می تواند تا ده برابر سرعت صوت نیز برسد.
 شکل زیر جزئیات جریان هوا در اطراف یک هواپیمای مدل را که در یک تونل بادر در حال تست می باشد، نشان می دهد. دانشمندان برای بررسی مقاومت هواپیما و عملکرد مناسب آن، مدل هواپیمای مورد نظر را ساخته و آن را درون تونل باد تست می نمایند. با رسیدن سرعت پرواز هواپیمای مدل به سرعت صوت، از امواج صوتی تولید شده توسط موتور خود سبقت می گیرد و امواج فشاری را در پشت سر خود به جای می گذارد.

در شکل فوق نقطه 1 امواج تولید شده در اثر شکستن دیوار صوتی را نشان می دهد.
این امواج همان گونه که در نقطه 2 مشاهده می شود با دور شدن از هواپیما کوچک تر می شوند.
نقطه 3 بازوی فلزی نگهدارنده هواپیمای مدل را در درون تونل باد نشان می دهد.
همان گونه که در نقطه 4 مشاهده می شود، امواج فشاری مانند امواج آب بر روی یک استخر به سمت خارج پخش می شوند.
نقطه 5 نیز منحرف شدن هوا در برخورد با دماغه هواپیما را نشان می دهد.
 تونل باد دارای 5 مقطع می باشد که در شکل زیر مشاهده می شوند:

در این شکل نقطه 1 فن تونل را نشان می دهد. فن های عظیم به کار گرفته شده در تونل های باد، وظیفه تولید جریان باد را برعهده دارند.مقطع 2، ورودی هوای تونل باد را نشان می دهد. هوا در این مرحله پس از گذشتن از یک محفظه لانه زنبوری، موازی دیواره های تونل جهت می گیرد و وارد بخش بعد می شود.
مقطع 3، سطح مقطع عبور هوا را کم می کند و باعث می شود سرعت حرکت هوا نسبت به ورودی افزایش یابد.مقطع 4 محل تست می باشد. حسگرهای نصب شده در این مقطع اثرات باد بر روی هواپیما را بررسی می کنند.
مقطع 5 نیز سطح مقطع عبور جریان را افزایش می دهد تا سرعت باد کاهش یافته و از تونل خارج شود. هوای خروجی یک مدار بسته را طی خواهد نمود و مجدداً به تونل وارد خواهد شد.
 تونل های باد برای بررسی تاثیر شکل هواپیما بر نحوه پرواز آن، نیروی برای تولید شده، مقاومت هوا (نیروی پسا) و... به کار می روند. تست ها برای رساندن نیروی برا به حداکثر و نیروی پسا به حداقل مقدار خود به کار می روند. تونل های باد بسیار پر هزینه و خطرناک می باشند. هوا در تونل بادهایی که با 10 برابر سرعت صوت حرکت می کند ممکن است آن قدر سرد شود که به مایع تبدیل شود.
 تست کردن در تونل باد با کار بسیار پیچیده ای می باشد و امروزه کم کم جای خود را به روش های CFD (دینامیک سیالات محاسبه ای) یا (computational fluid dynamics) می دهند. در این روش مدل به صورت کامپیوتری و با کمک هزاران معادله پیچیده ریاضی ساخته می شود.

روش های کامپیوتری، جریان هوا بر روی بال را نیز مدل می کنند و به بررسی آن کمک فراوان می کنند.

 
خواص تونل باد برای شش رژیم سرعتی
نازل یا بخش انبساطی قسمت تست مافوق صوت برای هر مقدار ماخ مافوق صوتی دارای شکل منحصر به فردی است. بطور مثال نسبت قسمت تست به مساحت گلوگاه برای ماخ ۲ برابر با ۱٫۶۹ و برای ماخ ۱۰ برابر با ۵۳۶ می‌باشد. بنابراین برای اینکه یک تونل باد مافوق صوت بتواند برد وسیعی از ماخهای مافوق صوت را شامل شود باید شکل نازل در این تونل متغیر باشد. این مسئله بوسیله نازلهای قابل تعویض و یا نازلهای دارای دیواره متغیر و … حل شدنی است. یک طرح برای طراحی چنین نازلهایی در هنگام عملکرد تونل باد اینست که اساسا یک دیواره نازل ثابت نگه داشته شده در حالیکه دیواره روبرویی آن بصورت محوری لغزیده و حرکت می‌کند و باعث تغییر سطح مقطع نازل می‌شود. بنابراین مسئله قابل تغییر بودن شکل نازل اولین تمایز از سه تفاوت بین تونلهای بااد مافوق صوت و مادون صوت است.
دومین تفاوت بین این دو نوع تونل مقدار انرژی از دست رفته هوای گردش یافته است. در تونلهای باد مافوق صوت فنها تنها نیاز دارند که فشار هوا را تا ۱۰ درصد افزایش دهند تا انرژی از دست رفته توسط دیواره تونل، مدل، تجهیزات و … را جبران کند. در یک تونل باد ماخ ۲ فشار باید تقریبا ۱۰۰ درصد افزایش یابد. بنابراین یک فن ساده تونل باد مادون صوت باید به کمپرسور چند مرحله‌ای از فنها تبدیل شود. واضح است که برای تولید نیروی به این بزرگی توان بیشتری نیز نیاز است. علت افت انرژی زیاد در تونل باد مافوق صوت اساسا امواج شاک است که بلافاصله در جریان بعد از قسمت تست ایجاد می‌شود. جاییکه سرعت جریان اصلی از مافوق صوت‌به مادون کاهش می‌یابد. افت انرژی از طریق امواج شاک ذاتا در همه جریانهای مافوق صوت‌ وجود دارد بنابراین در تونل باد مافوق صوت فنهای الکتریکی یا کمپرسورها باید این انرژی را تامین کنند.
تونل باد مافوق صوت متغیر نامتقارن
سومین و آخرین تفاوت مهم میان تونل‌های باد مافوق و مادون صوت مربوط به خود جریان هواست. تونل باد نه تنها باید کاملا تمیز شده و فاقد بخار، روغن، گرد و غبار و هر شی خارجی باشد بلکه باید از چگالش یا میعان بخار آب موجود در هوا نیز اجتناب نمود. هنگامیکه جریان هوای تونل در نازل انبساط می‌یابد، گرمای نهان در هوا به انرژی جنبشی تبدیل شده و دمای هوا افت می‌کند و احتمال میعان بخار آب وجود دارد اما با خشک کردن هوا می‌توان از این امر جلوگیری کرد.ازآنجایی که توان لازم برای به کار انداختن تونلهای باد مافوق صوت بسیار زیاد و در حدود بیش از ۵۰ مگاوات در هر متر مربع از قسمت آزمایش است بنابراین بیشتر تونلها بطور متناوب از انرژی ذخیره شده در تانکرهای فشار بالا یا تانکرهای خلا استفاده می کنند.
تونل باد مافوق صوت
سطح قسمت تست تونلهای مافوق صوت در داقع شبیه به سطح آیینه است . به این دلیل که حدافل خراش یا نقصی در سطح تونل جریان هوای داخل تونل را بر هم زده و باعث کاهش دقت آزمایش می‌شود. وجود ناخواسنه برهم زننده و مغشوش کننده جریان در شکل زیر نشان داده شده است. فقط تعداد کمی ترک یا خراش باعث تولید cries-cross خطوط ماخ فطری خواهد شد. هر خط ماخ یک موج شاک کوچ است که در محل وجود نقص بوجود می‌آید و بسته به سرعت هوای درون
تونل زاویه خاصی پیدا می‌کند مثلا در ماخ ۱ خطوط ماخ عمود بر جریا است. بطور کلی این زاویه در ماخ برابر arcsin 1/M خواهد بود. برای نشان دادن چگونگی تولید خطوط ماخ توسط ذره‌های کوچک روی دیواره تونل، ذرات ریزی روی نوار Scotch با ضخامت ۰٫۰۰۳ اینچ برروی دیواره تونل قرار می‌گیرند و باعث تولید خطوط ماخ می‌شوند. بخشی از نوار درون لایه مرزی مادون صوت قرار می‌گیرد که ضخامت آن ۰٫۳ اینچ یعنی ۱۰۰ برابر ضخامت نوار است ولی در هر صورت تاثیر ذرات کوچک از میان لایه مرزی حس می‌شود.به هر حال وجود خطوط ماخ درون تستهای تونل باد ناخوشایند است و بخش تست هر تونل مافوق صوتی باید به اندازه کافی صیقلی باشد .ذرات کوچک روی دیواره یک تونل باد مافوق صوت باعث تولید خطوط ماخ شده‌اند.
a)در ماخ ۲ این خطوط با محور تونل زاویه ۳۰ درجه می‌سازند. b ) خطوط ماخ تولیدی که بخشی از آن در لایه مرزی مادون صوت قرار گرفته است.
افزایش و بهبود عملکرد تونلهای باد مافوق صوت
در حال حاضر فرآیند جدیدی برای شکل هندسی نازل که برای کنترل عدد ماخ در قسمت تست ضروریست، بکار برده می‌شوود. تعیین و حدس شکل نازل در یک ماخ مافوق صوت احتیاج به زحمت زیادی دارد با سیستمهای جدید پیش‌بینی شکل نازل برای ماخهای بین ۱٫۴ تا ۴٫۳ آسانتر خواهد بود. قبل از سال ۱۹۹۱ HSWT مکانیزم کنترل شکل نازل شامل یک سیستم پیچیده cam بود. ایجاد شکل دلخواه برای نازل بسته به پیچیدگی سیستم فرآیند بسیار وقتگیری بوده که دارای دقت کافی نیز نیست. سیستم cam بوسیله یک جک هیدرولیکی و سیستم فیدبک encoder جایگزین شد. روش پیشگویی شکل نازل شامل برونیابی مختصه‌ها از مجموع مختصه‌های ماخ بجا مانده از سیستم موجود می‌باشد. علاوه بر این هیچ روشی برای ست کردن نازلها بصورت متقارن و مشحص کردن ویژگی فیدبک جک هیدرولیکی نسبت به هندسه واقعی نازل در تونل وجود ندارد.بنابراین توسعه روش پیشگویی شکل نازلهای قابل تغییر که فادر به پیشگویی و بکارگذاری دقیق شکل نازلهاست، از اهمیت بالایی برخوردار است.
بدلیل پیچیدگی این امر پروژه به چهار بخش تقسیم شده است:
– توسعه یک کد برنامه نویسی دو بعدی که بتواند به صورت تئوری شکل نازل را برای دستیابی به ماخ مشخص در قسمت تست پیش‌بینی کند.
– طرح یک سیستم سنجش نقشه نازل برای مشخص کردن سیستم کنترل شکل نازل کنونی (NCMS) و بکار گذاری این نازل تئوری روی سیستم.
– چک کردن مجموعه جدید اشکال و تصحیح شکل برای تاثیرات لایه مرزی از طریق روشهای اصلاح با سعی و خطا.
– در نهایت تمامی مراحل بالا با استفاده از مجموعه بزرگی از اطلاعات که در طول کالیبره شدن جمع‌آوری شدند، شکل نهایی نازل را مشخص خواهند کرد.
کاهش اغتشاش در تونل باد
در این قسمت نگاهی اجمالی در مورد تاثیر اغتشاش در تونلهای باد و طراحی مناسب آن برای داشتن اغتشاشهای کم یا زیاد، خواهیم داشت. آزمایشهای انجام شده در تونلهای باد نشان‌دهنده تاثیر پارامترهای مختلف در اندازه توربولانس می‌باشد. تغییرات مناسب در اندازه، شکل و ضخامت دیواره‌‌های سلولهای لانه زنبوری دارای تاثیرات کمی هستند. اضافه کردن یک صحه لانه زنبوری دیگر هم تاثیر چندانی در کاهش میزان اغتشاش نخواهد داشت. اما با افزایش فاصله صفحه لانه زنبوری و بخش اندازه‌گیری و همچنین کاهش زیاد مساحت در مخروط ورودی مقدار اغتشاش کاهش خواهد یافت.درک تاثیر اغتشاش در تونل باد بدین ترتیب شروع شد که در سال ۱۹۱۱ ایفل مقاومت هوا را روی یک کره در تونل بادی که جدیدا ساخته بود، اندازه گرفت و مقدار ضریب پسا را ۰٫۱۸ بدست آورد. یک سال بعد فوپل بیان کرد که مقدار ضریب درگ ایفل کاملا نادرست بوده و ضریب درست برابر ۰٫۴۴ یعنی حدود سه برابر ضریب ایفل است. اما ایفل با انجام آزمایشهای دیگر روی کره با ابعاد مختلف و در تونل بادهای دیگر ، در صدد نشان دادن صحت ادعای خود برآمد.اولین سرنخ برای توجیح این تفاوت توسط ویلزبرگر ارائه شد. نتایجی که ویلزبرگر با ایجاد اغتشاش در جلو کره به آن رسیده بود، مشابه نتایج ایفل بود. وی اینکار را از طریق قرار دادن صفحه مش‌بندی شده در مقابل جریان هوا در جلو کره یا با قرار دادن یک رینگ سیمی روی سطح کره روی صفحه‌ای عمود بر جهت باد، انجام داد. پس از انجام آزمایشات بسیار نتیجه نهایی اینگونه بود که ضریب درگ کره در هوا تنها به قطر کره بستگی ندارد بلکه به سرعت، چگالی، لزجت و همچنین شدت توربولانس جریان هوا نیز وابسته است.
جسم دیگری که نتایج بدست آمده روی آن در تونل باد های مختل بسیار متفاوت بود، اجسام خط جریانی بودند. مقدار ضریب درگ بدست آمده در آزمایشگاه بین‌المللی فیزیک دارای مقدار کمتری نسبت به نتایج تونل باد yard دریایی واشنگتن بود.در سال ۱۹۲۳ آزمایشگاه بین‌المللی فیزیک شروع به انجام یکسری آزمایش مقایسه‌ای روی دو مدل ارشیپ در تعداد زیادی از تونلهای باد دنیا انجام داد. نتایج بدست آمده از تونلهای باد ایالت متحده دارای ۵۰ درصد اختلاف نسبت به نتیجه میانگین بود. علت این اختلافها وجود تفاوت در میزان توربولانس تونلهای باد مختلف بود.این دو مثال نشاندهنده تاثیر اغتشاش در تونل باد بود ولی کشف تاثیرات خود اغتشاش کمی فدیمیتر است :
اسبرن رینولدز در مطالعات خود روی جریان درون لوله‌ها، مشاهدات اولیه خود را بدین ترتیب به ثبت رسانید : برای اعداد رینولدز پائین، جریان درون لوله آرام بوده که مطابق با قوانین هیدرودینامیک برای جریانهای دائمی یک مایع لزج است. در رینولدزهای بالا جریان چرخیده و علاوه بر حرکت مولکولهای تکی، مومنتم نیز از لایه‌ای به لایه‌ای دیگر درون سیال منتقل می‌شود در آزمایشات معینی انتقال جریان از یک رژیم به رژیم دیگر صرفنظر از سرعت، قطر لوله، لزجت و چگالی مایع در مقادیر مشخصی از اعداد رینولدز اتفاق می‌افتد. هنگامیکه جریان ورودی دارای اغتشاش باشد مقدار عدد رینولدز بحرانی به بزرگی اغتشاش بستگی خواهد داشت. توربولانس جریان ورودی ممکن است بوسیله اشیایی که نزدیک ورودی لوله قرار می‌گیرند، صفحات لانه زنبوری در لوله و یا شکل ورودی خود لوله تولید شود.تونل های باد تونل های بزرگی هستند که هوایی در داخل آنها در حال حرکت است. تونل های باد برای کپی کردن واکنش های یک شیء در حال پرواز مورد استفاده قرار می گیرند.
محققان از تونل های باد استفاده می کنند تا بیشتر درباره این که چگونه یک هواپیما پرواز می کند یاد بگیرند.سازمان های فضایی از تونل های باد برای آزمایش مدل هایی در مقیاس هواپیما و فضاپیما استفاده می کنند. برخی از تونل های باد به قدری بزرگند که نسخه های با اندازه کامل از وسایل نقلیه را می توان در آنها آزمایش کرد. تونل باد هوا را اطراف یک جسم به حرکت در می آورد درنتیجه در تونل های باد شرایطی به وجود می آید شبیه به این که گویی واقعاً شیئی در آنها در حال پرواز است.

 تونل های باد چگونه کار می کنند؟

بیشتر مواقع، فن های قوی هوا را میان تونل باد به حرکت درمی آورند. جسمی که مورد آزمایش قرار می گیرد داخل تونل بسته می شود به طوری که نمی تواند حرکت کند. جسم می تواند یک مدل کوچک از یک وسیله نقلیه باشد. می تواند یک هواپیما یا سفینه فضایی با اندازه کامل باشد. حتی ممکن است یک شیء عادی مانند توپ تنیس باشد.
هوایی که در اطراف جسم داخل تونل باد حرکت می کند نشان می دهد وقتی این شیء از میان هوا حرکت می کند، چه اتفاقی برایش رخ می دهد. این که چگونه هوا در داخل تونل باد حرکت می کند را می توان با شیوه های مختلف مطالعه کرد. دود یا رنگ می تواند جانشین هوای داخل تونل شود و می توان آن را هنگامی که حرکت می کند مورد مطالعه قرار داد.
ریسمان هایی را می توان به شیء متصل کرد و این ریسمان ها نشان می دهند که هوا چگونه حرکت می کند. اغلب ابزار خاصی مورد استفاده قرار می گیرد تا نیروی هوا بر شیء اندازه گیری شود.
تونل های باد چه فایده ای برای صنعت هوانوردی دارند؟
سازمان فضایی آمریکا، ناسا، بیشتر از هر گروه دیگری در جهان تونل باد دارد. این آژانس برای اهداف زیادی از تونل های باد استفاده می کند. یکی از این اهداف آموختن بیشتر درباره هواپیماها است و این که چگونه اجسام درون هوا حرکت می کنند. یکی از مشاغل ناسا بهبود حمل و نقل هوایی است.
تونل های باد کمک می کنند تا ایده ها را در زمینه این که چگونه می توان هواپیماها را بهتر و امن تر کرد، آزمایش کنند. مهندسان می توانند مواد جدید یا اشکالی را به عنوان قطعات هواپیماها آزمایش کنند. قبل از به پرواز درآوردن یک هواپیمای جدید هم این هوپیما را داخل تونل باد آزمایش می کنند تا مطمئن شوند آن گونه که باید و شاید پرواز می کند.
شرکت هایی که هواپیما می سازند می توانند هواپیماهای جدیدشان را در این تونل ها آزمایش کنند.
تونل های باد چگونه می توانند به ساخت فضاپیماها کمک کنند؟
سازمان های فضایی از تونل های باد استفاده می کنند تا موشک ها و فضاپیماها را مورد آزمایش قرار دهند. این وسایل نقلیه برای این ساخته می شوند تا در فضا مورد بهره برداری قرار گیرند. فضا جو ندارد. اما فضاپیما و موشک باید برای رسیدن به فضا از میان جو سفر کنند. همچنین این وسایل نقلیه که انسان را به فضا می برند باید از میان جو به زمین برگردند.
تونل های باد برای ساختن موشک های فضاپیمابر و فضاپیماها اهمیت دارند. مهندسان ایده های جدید را برای طراحی فضاپیماها در تونل های باد آزمایش می کنند.. آنها لازم است بفهمند فضاپیما چه قدر خوب پرواز می کند و این که برای فضاپیماها با طراحی های مختلف وقتی از میان جو به زمین برمی گردند چه اتفاقی رخ می دهد.تونل های باد به ناسا کمک کرده اند تا شاتل های فضایی را تغییر دهند و آنها را امن تر کنند. تونل های باد کمک می کنند تا فضاپیماها و موشک ها بهتر شوند.
تونل های باد حتی به مهندسان کمک می کنند تا فضاپیمایی برای فعالیت در جهان های دیگر طراحی کنند. مهم است بدانیم جو مریخ با وسایل نقلیه ای که به روی آن فرود می آیند چه می کند. به این ترتیب طراحی های فضاپیماها و چترهای نجات در تونل های بادی که مانند جو مریخ سازماندهی شده اند آزمایش می شوند.

انواع تونل های باد

انواع بسیار زیادی از تونل های باد وجود دارند. تونل های باد می توانند اندازه های مختلفی داشته باشند. بعضی فقط چند سانتی متر مربع هستند و برخی به قدری بزرگند که می توان یک هواپیما با اندازه واقعی را در آنها آزمایش کرد. در برخی از تونل های باد هواپیماها در سرعت های بسیار پایین آزمایش می شوند.
اما برخی از تونل های باد ساخته شده اند برای این که در آنها سرعت های مافوق صوت مورد آزمایش قرار گیرند. این سرعت بیش از 4000 مایل (تقریباً 6500 کیلومتر) در ساعت است!

اجزای تونل باد

تونل باد محیطی است که علاوه بر مهندسان هوافضا که کار تجربی انجام می‌دهند توسط متخصصان «دینامیک سیالات محاسباتی» (Computational Fluid Dynamics) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. دینامیک سیالات محاسباتی، بخشی از علم آیرودینامیک است که به صورت خلاصه با نماد CFD نمایش داده می‌شود که ویژگی‌های جریان عبوری از روی اجسام و درون آن‌ها را با استفاده از کامپیوتر مورد محاسبه قرار می‌دهد.تونل‌های باد مدار بسته به نسبت تونل‌های مدار باز، جریان یکنواخت‌تری را تولید می‌کنند و به صورت رایج، تونل‌های باد بزرگ مانند تونل‌های مورد استفاده از فرمول یک را با استفاده از این نوع تونل‌ها می‌سازند. طراحی و ساخت این تونل‌ها نیاز به در نظر گرفتن ملاحظات بسیاری دارد. این تونل‌ها باید طوری طراحی شوند که جریان عبوری از گوشه‌ها مقدار آشفتگی یا توربولانس کم‌تری را تجربه کند و به صورت یکنواخت وارد مقطع تست شود. شکل زیر اجزای مختلف یک تونل باد مدار بسته را نشان داده است.
تونل باد مدار بسته
شکل زیر نمونه‌ای از یک تونل باد مدار باز را به تصویر کشیده است.
تونل باد مدار باز
«وین‌های گوشه» (Corner Vanes)، ابزاری برای هدایت و مستقیم کردن جریان هوا در گوشه‌های یک تونل باد هستند و از آشفته شدن جریان در این نواحی جلوگیری می‌کنند.
هوای عبوری از مقطع تست تونل باد باید رژیم «لایه‌ای» (Laminar) را تجربه کند. برای جلوگیری از توربولانس شدن جریان در این مقطع، از یک سری مقاطع بسته استفاده می‌شود که این مقاطع به صورت عمودی و افقی مطابق شکل زیر در فاصله نزدیک از هم قرار گرفتند. در واقع سیال قبل از ورود به محفظه تست، از درون حفره‌هایی به شکل لانه زنبور عبور می‌کنند که این حفره‌ها هانی کامب‌ نامیده می‌شوند و در شکل زیر شیوه استفاده از آن‌ها در تونل باد نشان داده شده است. نکته مهم در رابطه با هانی‌کامب‌ها این است که طراحی و ساخت باید طوری صورت بگیرد که طول هانی‌کامب‌ها حداقل شش برابر قطرشان باشد.
یک وین دیگر در نقطه‌ای از تونل باد قرار می‌گیرد که «بریزر» (Breather) نامیده می‌شود. وظیفه این عضو تونل باد این است که فشار داخلی را طوری تنظیم کند که با افزایش دمای سیال، فشار آن افزایش نیابد. مکان بهینه برای قرار گرفتن این عضو، مکانی است که فشار هوای داخلی در نزدیکی فشار اتمسفر قرار داشته باشد و معمولا در پایین دست مقطع تست قرار داده می‌شود.
یکی دیگر از اجزای اصلی و حیاتی تونل باد، خنک کننده است. مبدل حرارتی در آرام‌ترین نقطه تونل قرار می‌گیرد تا افت فشار را به حداقل برساند و بازده انتقال حرارت را افزایش دهد.
اکثر تونل‌های باد مدار بسته، از فن‌های محوری استفاده می‌کنند و باعث افزایش فشار استاتیک می‌شوند. طراحی فن‌های محوری برای تونل‌های باد، امری بسیار پیچیده است و این موضوع، دلیل استفاده از فن‌هایی با طراحی خاص در تونل‌های باد فرمول یک است. این فن‌ها به صورت گسترده با هدف افزایش بازده و کاهش اثرات دیواره طراحی می‌شوند.
تونل‌های باد چگونه به طراحی فضاپیماها کمک می‌کنند؟
ناسا فضاپیماها و راکت‌ها را نیز با استفاده از تونل‌های باد مورد آزمایش قرار می‌دهد. همانطور که می‌دانید فضاپیماها، ماشین‌هایی هستند که برای عمل در فضا طراحی شدند و در فضا هیچ اتمسفری وجود ندارد. این ماشین‌ها برای آن‌که به فضا برسند، باید از اتمسفر عبور کنند. علاوه بر این، تمامی ماشین‌هایی که انسان‌ها را به فضا می‌برند، برای بازگشت به زمین نیز باید از اتمسفر عبور کنند.ناسا برای تست کردن میزان امنیت فضاپیماهایی که انسان‌ها و تجهیزات را به فضا می‌برند، فضاپیماها را درون تونل باد مورد آزمایش قرار می‌دهد. نکته دیگر این است که، آزمایش تونل باد روی این ابزار و تجهیزات برای اطمینان از صحت کامل آن‌ها هنگام ورود به زمین نیز صورت می‌گیرد.
علاوه بر موارد ذکر شده، تونل‌های باد به مهندسان کمک می‌کند تا فضاپیماهایی را با طراحی مناسب جهت کار کردن در سیاره‌های دیگر، تولید کنند. برای مثال، مریخ اتمسفر سبکی دارد و شیوه رفتار فضاپیما در این شرایط، نقش بسیار مهمی در طراحی آن‌ها بازی می‌کند. بنابراین همانطور که اشاره شد، طراحی مناسب یک فضاپیما امری بسیار مهم است و باید طراحی فضاپیما طوری صورت بگیرد که در شرایط مختلف جو و تغییرات آن، عملکرد مناسبی از خود نشان بدهد و رسیدن به این هدف، جز با انجام آزمایشات مختلف در تونل‌های باد امکان پذیر نخواهد بود. بنابراین فضاپیما و چتر نجات مورد استفاده فضانوردان برای شبیه‌سازی شرایط اتمسفر مریخ، در یک تونل باد مورد آزمایش قرار می‌گیرند. شکل زیر مدل یک شاتل که در تونل باد مورد آزمایش قرار گرفته است را به تصویر کشیده است.
ناسا انواع مختلفی از تونل‌های باد را برای انجام آزمایش‌های گوناگون مورد استفاده قرار می‌دهد. برخی از این تونل‌های باد، اندازه‌ای برابر با چند سانتی متر مربع دارند و برخی از آن‌ها به اندازه‌ای بزرگ هستند که یک هواپیما با اندازه واقعی در آن تست می‌شود. عده‌ای از این تونل‌های باد، هوایپماها را در سرعت‌های بسیار پایین مورد آزمایش قرار می‌دهند و عده‌ای دیگر هواپیماها را در سرعت‌های مافوق صوت، تست می‌کنند.
، تونل باد، ابزاری است که از آن برای مطالعه برخورد هوا با یک جسم استفاده می‌شود و حضور تونل‌های باد، به طراحی و ساخت دقیق ابزارها و ماشین‌های مختلف در علم آیرودینامیک کمک بسیار زیادی کرده است. همچنین حضور این تونل‌ها باعث پیشرفت در ورزش‌هایی شده که سرعت در آن‌ها اهمیت بسیار زیادی دارد.

منابع :

طراحی مقدماتی تونل باد/ فداکار ناورودی- محمد ناجی– سهرابی- مرتضی / کوکبی- هاشم / پایان نامه کارشناسی / دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکزی
اینترنت و سایت های مرتبط