OprindelseRediger
Den engelske militæringeniør og matematiker Benjamin Robins (1707-1751) opfandt et hvirvelarmsapparat til at bestemme luftmodstanden og udførte nogle af de første eksperimenter inden for luftfartsteori.
Sir George Cayley (1773-1857) brugte også en hvirvelarm til at måle luftmodstanden og løftet af forskellige flyveprofiler. Hans hvirvelarm var 1,5 m (5 fod) lang og opnåede tophastigheder på mellem 3 og 6 m/s (10 og 20 fod pr. sekund).
Otto Lilienthal brugte en roterende arm til nøjagtigt at måle vingefolier med varierende angrebsvinkler og fastlagde deres løfte- og trækforhold i polære diagrammer, men han manglede begreberne induceret modstand og Reynoldstal.
Hvorom end, den hvirvlende arm producerer ikke en pålidelig luftstrøm, der rammer testformen ved en normal indfaldsvinkel. Centrifugalkræfter og det forhold, at objektet bevæger sig i sit eget kølvand, betyder, at det er vanskeligt at foretage en detaljeret undersøgelse af luftstrømmen. Francis Herbert Wenham (1824-1908), der var medlem af rådet for Aeronautical Society of Great Britain, tog fat på disse problemer ved at opfinde, designe og drive den første lukkede vindtunnel i 1871. Da dette gennembrud først var opnået, kunne der hurtigt uddrages detaljerede tekniske data ved hjælp af dette værktøj. Wenham og hans kollega John Browning er krediteret for mange grundlæggende opdagelser, herunder måling af l/d-forhold og afsløringen af de gavnlige virkninger af et højt højdeforhold.
Konstantin Tsiolkovsky byggede en vindtunnel med åbent snit med en centrifugalblæser i 1897 og bestemte luftmodstandskoefficienterne for flade plader, cylindre og kugler.
Den danske opfinder Poul la Cour anvendte vindtunneler i sin proces med at udvikle og forfine teknologien til vindmøller i begyndelsen af 1890’erne.Carl Rickard Nyberg anvendte en vindtunnel ved konstruktionen af sin Flugan fra 1897 og fremefter.
I et klassisk sæt forsøg påviste englænderen Osborne Reynolds (1842-1912) fra University of Manchester, at luftstrømningsmønstret over en model i skala ville være det samme for køretøjet i fuld skala, hvis en bestemt strømningsparameter var den samme i begge tilfælde. Denne faktor, der i dag er kendt som Reynoldstallet, er en grundlæggende parameter i beskrivelsen af alle situationer med væskestrømning, herunder strømningsmønstrenes form, den lette varmeoverførsel og turbulensens opståen. Dette udgør den centrale videnskabelige begrundelse for brugen af modeller i vindtunneler til simulering af virkelige fænomener. Der er dog begrænsninger for forhold, hvor den dynamiske lighed alene er baseret på Reynoldstallet.
Brødrene Wrights brug af en simpel vindtunnel i 1901 til at studere virkningerne af luftstrømmen over forskellige former, mens de udviklede deres Wright Flyer, var på nogle måder revolutionerende. Det fremgår dog af ovenstående, at de blot benyttede sig af datidens anerkendte teknologi, som dog endnu ikke var almindelig i USA.
I Frankrig byggede Gustave Eiffel (1832-1923) sin første vindtunnel med åben tilbagevendende vind i 1909, drevet af en elektrisk motor på 50 kW, på Champs-de-Mars, nær foden af det tårn, der bærer hans navn.
Mellem 1909 og 1912 gennemførte Eiffel omkring 4.000 forsøg i sin vindtunnel, og hans systematiske eksperimenter satte nye standarder for luftfartsforskningen. 1912 blev Eiffels laboratorium flyttet til Auteuil, en forstad til Paris, hvor hans vindtunnel med en to meter lang testsektion stadig er i drift den dag i dag. Eiffel forbedrede effektiviteten af den åbne vindtunnel med åben retur betydeligt ved at omslutte testsektionen i et kammer, konstruere et udvidet indløb med en strømningsudglatning i honeycomb-form og tilføje en diffuser mellem testsektionen og den ventilator, der er placeret i den nedstrøms ende af diffusoren; dette arrangement blev fulgt af en række af de vindtunneler, der senere blev bygget; faktisk kaldes den åbne lavhastighedsvindtunnel med åben retur ofte for en vindtunnel af Eiffeltypen.
Udbredt brugRediger
Den efterfølgende brug af vindtunneler udbredte sig, efterhånden som videnskaben om aerodynamik og disciplinen aeronautisk ingeniørvidenskab blev etableret, og luftfarten og luftkraften blev udviklet.
Den amerikanske flåde byggede i 1916 en af de største vindtunneler i verden på daværende tidspunkt på Washington Navy Yard. Indløbsdelen var næsten 3,4 m (11 fod) i diameter, og udførselsdelen var 2,1 m (7 fod) i diameter. En 500 hk elmotor drev de pagajformede ventilatorblade.
I 1931 byggede NACA en vindkanal i fuld skala på 30 fod gange 60 fod på Langley Research Center i Langley, Virginia. Tunnelen blev drevet af et par ventilatorer, der blev drevet af elmotorer på 4.000 hk. Anlægget var et dobbelt retur- og lukket loop-format og kunne rumme mange rigtige fly i fuld størrelse samt modeller i skala. Tunnelen blev til sidst lukket, og selv om den blev erklæret et nationalt historisk vartegn i 1995, blev nedrivningen påbegyndt i 2010.
Indtil Anden Verdenskrig lå verdens største vindtunnel, der blev bygget i 1932-1934, i en forstad til Paris, Chalais-Meudon i Frankrig. Den var beregnet til at afprøve fly i fuld størrelse og havde seks store ventilatorer, der blev drevet af kraftige elektromotorer. Chalais-Meudon-vindtunnelen blev brugt af ONERA under navnet S1Ch indtil 1976 i forbindelse med udviklingen af bl.a. Caravelle- og Concorde-flyene. I dag er denne vindtunnel bevaret som et nationalt monument.
Ludwig Prandtl var Theodore von Kármáns lærer ved universitetet i Göttingen og foreslog opførelsen af en vindtunnel til test af luftskibe, som de var ved at designe:44 Vortex-gaden af turbulens nedstrøms en cylinder blev testet i tunnelen.:63 Da han senere flyttede til universitetet i Aachen, mindedes han brugen af dette anlæg:
Jeg huskede, at vindtunnelen i Göttingen blev startet som et redskab til studier af Zeppelins adfærd, men at den havde vist sig at være værdifuld til alt andet, lige fra at bestemme røgens retning fra en skibsskorsten til om et givet fly ville flyve. Fremskridt i Aachen ville efter min mening være praktisk talt umulige uden en god vindtunnel. “76
Når von Kármán begyndte at rådgive Caltech, arbejdede han sammen med Clark Millikan og Arthur L. Klein. “124 Han gjorde indsigelse mod deres design og insisterede på en returstrøm, der gjorde apparatet “uafhængigt af svingningerne i den ydre atmosfære”. Den var færdig i 1930 og blev brugt til Northrop Alpha-testning.:169
I 1939 spurgte general Arnold, hvad der var nødvendigt for at fremme USAF, og von Kármán svarede: “Det første skridt er at bygge den rigtige vindtunnel.”:226 På den anden side skrev han efter succeserne med Bell X-2 og udsigten til mere avanceret forskning: “Jeg gik ind for at konstruere et sådant fly, fordi jeg aldrig har troet på, at man kan få alle svarene ud af en vindtunnel.”:302-03
Anden VerdenskrigEdit
I 1941 konstruerede USA en af de største vindtunneler på daværende tidspunkt på Wright Field i Dayton, Ohio. Denne vindtunnel starter ved 45 fod (14 m) og indsnævres til 20 fod (6,1 m) i diameter. To 40 fods (12 m) ventilatorer blev drevet af en 40.000 hk stærk elmotor. Store flymodeller kunne afprøves ved lufthastigheder på 640 km/t (400 mph).
Vindtunnelen, der blev brugt af tyske forskere i Peenemünde før og under Anden Verdenskrig, er et interessant eksempel på de vanskeligheder, der er forbundet med at udvide den nyttige rækkevidde af store vindtunneler. Den anvendte nogle store naturlige huler, som blev udvidet ved udgravning og derefter forseglet for at lagre store mængder luft, som derefter kunne ledes gennem vindtunnellerne. Denne innovative fremgangsmåde muliggjorde laboratorieforskning i højhastighedsregimer og fremskyndede i høj grad fremskridtene inden for Tysklands luftfartsindustri. Ved krigens slutning havde Tyskland mindst tre forskellige supersoniske vindtunneler, hvoraf den ene kunne klare Mach 4,4 (opvarmede) luftstrømme.
En stor vindtunnel under opførelse nær Oetztal i Østrig skulle have haft to ventilatorer, der blev drevet direkte af to hydrauliske turbiner på 50.000 hestekræfter. Anlægget var ikke færdigt ved krigens slutning, og det nedtagne udstyr blev sendt til Modane i Frankrig i 1946, hvor det blev genopbygget og stadig drives der af ONERA. Med sin 8 m lange testsektion og en lufthastighed på op til Mach 1 er det det største transsoniske vindtunnelanlæg i verden.
Den 22. juni 1942 finansierede Curtiss-Wright opførelsen af en af landets største subsoniske vindtunneler i Buffalo, N.Y. Den første beton til bygningen blev støbt den 22. juni 1942 på et sted, der senere skulle blive Calspan, hvor den største uafhængigt ejede vindtunnel i USA stadig er i drift.
Ved slutningen af Anden Verdenskrig havde USA bygget otte nye vindtunneler, herunder den største i verden på Moffett Field nær Sunnyvale, Californien, som blev designet til at teste fly i fuld størrelse ved hastigheder på mindre end 250 mph og en vertikal vindtunnel på Wright Field, Ohio, hvor vindstrømmen er opadgående til test af modeller i spin-situationer og koncepter og tekniske designs til de første primitive helikoptere, der fløj i USA.
Efter Anden VerdenskrigRediger
Afspil medie
Sidere forskning i luftstrømme nær eller over lydhastigheden anvendte en beslægtet tilgang. Metaltrykkamre blev brugt til at lagre højtryksluft, som derefter blev accelereret gennem en dyse, der var designet til at give en supersonisk strømning. Observations- eller instrumenteringskammeret (“testsektionen”) blev derefter placeret på det rette sted i halsen eller dysen for den ønskede lufthastighed.
I USA førte bekymring over de amerikanske forskningsfaciliteters efterslæb i forhold til dem, som tyskerne havde bygget, til Unitary Wind Tunnel Plan Act of 1949, som gav tilladelse til udgifter til at bygge nye vindtunneler på universiteter og på militære steder. Nogle tyske vindtunneler fra krigstiden blev demonteret for at blive sendt til USA som led i planen om at udnytte den tyske teknologiske udvikling.
For begrænsede anvendelser kan Computational fluid dynamics (CFD) supplere eller eventuelt erstatte brugen af vindtunneler. F.eks. blev det eksperimentelle raketfly SpaceShipOne konstrueret uden brug af vindtunneler. Ved en enkelt test blev der imidlertid fastgjort flyvetråde til vingernes overflade, hvorved der blev udført en vindtunnelagtig test under en faktisk flyvning for at forfine beregningsmodellen. Når der er tale om ekstern turbulent strømning, er CFD ikke praktisk muligt på grund af begrænsningerne i de nuværende computerressourcer. Et område, der stadig er alt for komplekst til brug af CFD, er f.eks. bestemmelse af virkningerne af strømning på og omkring strukturer, broer, terræn osv.
Den mest effektive måde at simulere ekstern turbulent strømning på er ved hjælp af en grænselagsvindtunnel.
Der er mange anvendelsesmuligheder for modellering i grænselagsvindtunnel. For eksempel kan en forståelse af vindens indvirkning på højhuse, fabrikker, broer osv. hjælpe bygningskonstruktører med at konstruere en struktur, der kan modstå vindpåvirkninger på den mest effektive måde muligt. Et andet vigtigt anvendelsesområde for modellering af vindtunnelmodellering i grænselag er at forstå spredningsmønstre for udstødningsgasser fra hospitaler, laboratorier og andre emissionskilder. Andre eksempler på anvendelser af vindtunnelmodellering i grænselag er vurderinger af fodgængerkomfort og snedrivning. Modellering af vindtunneler er accepteret som en metode til at hjælpe med at designe grønne bygninger. F.eks. kan brugen af modellering af vindtunnelmodellering i grænselag anvendes som et point i forbindelse med LEED-certificering (Leadership in Energy and Environmental Design) gennem U.S. Green Building Council.
Vindtunnelforsøg i en grænselagsvindtunnel giver mulighed for at simulere den naturlige modstandskraft fra jordens overflade. For at opnå nøjagtighed er det vigtigt at simulere den gennemsnitlige vindhastighedsprofil og turbulensvirkningerne i det atmosfæriske grænselag. De fleste regler og standarder anerkender, at vindtunnelforsøg kan give pålidelige oplysninger til designere, især når deres projekter er i komplekst terræn eller på udsatte steder.
I USA er mange vindtunneler blevet taget ud af drift i de sidste 20 år, herunder nogle historiske anlæg. Der lægges pres på de tilbageværende vindtunneler på grund af faldende eller uregelmæssig brug, høje eludgifter og i nogle tilfælde den høje værdi af den ejendom, som anlægget ligger på, og i andre tilfælde den høje værdi af den faste ejendom, som anlægget ligger på. På den anden side kræver CFD-validering stadigvæk vindtunnel-data, og dette vil sandsynligvis være tilfældet i en overskuelig fremtid. Der er blevet gennemført undersøgelser og andre er i gang for at vurdere de fremtidige militære og kommercielle behov for vindtunneler, men resultatet er stadig usikkert. På det seneste har en stigende brug af jetdrevne, instrumenterede ubemandede køretøjer erstattet nogle af de traditionelle anvendelser af vindtunneler. Verdens hurtigste vindtunnel fra 2019 er LENS-X-vindtunnelen i Buffalo, New York.