OriginsEdit
Englantilainen sotilasinsinööri ja matemaatikko Benjamin Robins (1707-1751) keksi pyörivän käsivarren laitteen vastuksen määrittämiseksi ja teki ensimmäisiä kokeita ilmailuteorian alalla.
Sir George Cayley (1773-1857) käytti niin ikään pyörivää käsivartta mitatakseen erilaisten siipiprofiilipintaisten koneiden vastusta ja nostetta. Hänen pyörivä käsivartensa oli 1,5 m (5 jalkaa) pitkä ja saavutti huippunopeuden 3-6 m/s (10-20 jalkaa sekunnissa).
Otto Lilienthal käytti pyörivää käsivartta mitatakseen tarkasti siipiprofiileja, joiden kohtauskulmat vaihtelivat, ja laati niiden nostovoiman ja vetovoiman suhdeluvun polaaridiagrammeja, mutta häneltä puuttuivat indusoidun vastuksen ja Reynoldsin lukujen käsitteet.
Mutta, pyörivä varsi ei tuota luotettavaa ilmavirtaa, joka iskeytyy koekappaleeseen normaalisti. Keskipakovoimat ja se, että kappale liikkuu omassa vanavedessään, vaikeuttavat ilmavirran yksityiskohtaista tarkastelua. Francis Herbert Wenham (1824-1908), Ison-Britannian ilmailuyhdistyksen (Aeronautical Society of Great Britain) neuvoston jäsen, puuttui näihin ongelmiin keksimällä, suunnittelemalla ja käyttämällä ensimmäistä suljettua tuulitunnelia vuonna 1871. Kun tämä läpimurto oli saavutettu, yksityiskohtaista teknistä tietoa saatiin nopeasti tämän välineen avulla. Wenhamille ja hänen kollegalleen John Browningille luetaan monia perustavanlaatuisia keksintöjä, kuten l/d-suhteen mittaaminen ja suuren sivusuhteen suotuisten vaikutusten paljastaminen.
Konstantin Tsiolkovski rakensi vuonna 1897 keskipakopuhaltimella varustetun avoimen poikkileikkauksen tuulitunnelin ja määritteli litteiden levyjen, sylinterien ja pallojen vetovastuskertoimet.
Tanskalainen keksijä Poul la Cour sovelsi tuulitunneleita kehittäessään ja tarkentaessaan tuuliturbiinien tekniikkaa 1890-luvun alussa.
Carl Rickard Nyberg käytti tuulitunnelia suunnitellessaan Fluganiaan vuodesta 1897 alkaen.
Klassisessa kokeessa englantilainen Osborne Reynolds (1842-1912) Manchesterin yliopistosta osoitti, että ilmavirtauskuvio mittakaavaisen pienoismallin yläpuolella olisi sama täysimittaisen ajoneuvon kohdalla, jos tietty virtausparametri olisi molemmissa tapauksissa sama. Tämä tekijä, joka nykyään tunnetaan Reynoldsin lukuna, on perusparametri kaikkien nestevirtaustilanteiden kuvauksessa, mukaan lukien virtauskuvioiden muodot, lämmönsiirron helppous ja turbulenssin alkaminen. Tämä on keskeinen tieteellinen peruste sille, että tuulitunneleissa käytetään malleja todellisten ilmiöiden simuloimiseksi. On kuitenkin olemassa rajoituksia olosuhteissa, joissa dynaaminen samankaltaisuus perustuu pelkästään Reynoldsin lukuun.
Wrightin veljekset käyttivät yksinkertaista tuulitunnelia vuonna 1901 tutkiakseen ilmavirtauksen vaikutuksia erilaisten muotojen yli kehittäessään Wright Flyer -lentokonettaan, mikä oli tietyllä tavalla vallankumouksellista. Edellä olevasta käy kuitenkin ilmi, että he yksinkertaisesti käyttivät sen ajan hyväksyttyä tekniikkaa, vaikka se ei ollut vielä yleistä Amerikassa.
Ranskassa Gustave Eiffel (1832-1923) rakensi vuonna 1909 ensimmäisen 50 kW:n sähkömoottorilla toimivan avoimen tuulitunnelin Champs-de-Marsille, lähelle hänen nimeään kantavan tornin juurelle.
Vuosien 1909 ja 1912 välillä Eiffel teki tuulitunnelissaan noin 4 000 testiä, ja hänen järjestelmälliset kokeilunsa asettivat uusia standardeja ilmailututkimukselle. 1912 Eiffelin laboratorio siirrettiin Pariisin esikaupunkialueelle Auteuiliin, jossa hänen kahden metrin testiosuudella varustettu tuulitunnelinsa on edelleen toiminnassa. Eiffel paransi merkittävästi avoimen paluuilman tuulitunnelin tehokkuutta sulkemalla testiosuuden kammioon, suunnittelemalla levenevän sisääntuloaukon, jossa on hunajakennomainen virtauksen oikaisulaite, ja lisäämällä diffuusorin testiosuuden ja diffuusorin virtaussuuntaisessa päässä sijaitsevan tuulettimen väliin; tätä järjestelyä noudatettiin useissa myöhemmin rakennetuissa tuulitunneleissa; avoimen paluuilman hidaskäyntistä tuulitunnelia kutsutaankin usein nimellä Eiffel-tyyppinen tuulitunneli.
Laajalle levinnyt käyttöEdit
Tuulitunneleiden myöhempi käyttö yleistyi, kun aerodynamiikan tiede ja ilmailutekniikan tieteenala vakiinnutettiin ja lentoliikennettä ja -voimaa kehitettiin.
Yhdysvaltain laivasto rakensi vuonna 1916 Washingtonin laivastotelakalle yhden tuolloin maailman suurimmista tuulitunneleista. Sen sisääntulo-osan halkaisija oli lähes 11 jalkaa (3,4 m) ja ulostulo-osan halkaisija oli 7 jalkaa (2,1 m). 500 hevosvoiman sähkömoottori pyöritti melatyyppisiä puhaltimen siipiä.
Vuonna 1931 NACA rakensi 30 jalan kertaa 60 jalan kokoisen täysimittaisen tuulitunnelin Langleyn tutkimuskeskukseen Langleyssä, Virginiassa. Tunnelin voimanlähteenä oli pari puhallinta, joita pyörittivät 4 000 hevosvoiman sähkömoottorit. Järjestelmä oli kaksoispalautteinen, suljetun silmukan muotoinen, ja siihen mahtui monia täysikokoisia oikeita lentokoneita sekä pienoismalleja. Tunneli suljettiin lopulta, ja vaikka se julistettiin kansalliseksi historialliseksi maamerkiksi vuonna 1995, sen purkaminen aloitettiin vuonna 2010.
Toiseen maailmansotaan asti maailman suurin tuulitunneli, joka rakennettiin vuosina 1932-1934, sijaitsi Pariisin esikaupungissa Chalais-Meudonissa Ranskassa. Se oli suunniteltu täysikokoisten lentokoneiden testaamiseen, ja siinä oli kuusi suurta tuuletinta, joita pyörittivät tehokkaat sähkömoottorit. ONERA käytti Chalais-Meudonin tuulitunnelia S1Ch-nimellä vuoteen 1976 asti muun muassa Caravelle- ja Concorde-lentokoneiden kehittämisessä. Nykyään tätä tuulitunnelia säilytetään kansallisena muistomerkkinä.
Ludwig Prandtl oli Theodore von Kármánin opettaja Göttingenin yliopistossa ja ehdotti tuulitunnelin rakentamista suunnittelemiensa ilmalaivojen testejä varten.44 Tunnelissa testattiin sylinterin alapuolella olevan turbulenssin pyörrekatua.:63 Siirtyessään myöhemmin Aachenin yliopistoon hän muisteli tämän laitoksen käyttöä:
Muistelin, että Göttingenin tuulitunneli oli aloitettu Zeppelinin käyttäytymisen tutkimisen välineenä, mutta että se oli osoittautunut arvokkaaksi kaikessa muussa, laivan piipusta tulevan savun suunnan määrittämisestä siihen, lentääkö tietty lentokone. Aachenin edistyminen olisi mielestäni käytännössä mahdotonta ilman hyvää tuulitunnelia.:76
Kun von Kármán alkoi konsultoida Caltechia, hän työskenteli Clark Millikanin ja Arthur L. Kleinin kanssa.:124 Hän vastusti näiden suunnittelua ja vaati paluuvirtausta, joka tekisi laitteesta ”riippumattoman ulkoilman vaihteluista”. Se valmistui vuonna 1930 ja sitä käytettiin Northrop Alphan testeissä.:169
Vuonna 1939 kenraali Arnold kysyi, mitä vaadittiin USAF:n edistämiseksi, ja von Kármán vastasi: ”Ensimmäinen askel on rakentaa oikea tuulitunneli.”:226 Toisaalta Bell X-2:n menestyksen ja kehittyneemmän tutkimuksen näkymien jälkeen hän kirjoitti: ”Kannatin tällaisen koneen rakentamista, koska en ole koskaan uskonut, että tuulitunnelista voi saada kaikki vastaukset.”:302-03
Toinen maailmansotaTiedoksianto
Vuonna 1941 Yhdysvallat rakensi yhden tuon ajan suurimmista tuulitunneleista Wright Fieldille Daytonissa Ohiossa. Tämä tuulitunneli alkaa 45 jalasta (14 m) ja kapenee halkaisijaltaan 20 jalkaan (6,1 m). Kahta 12 metrin (40 jalkaa) pitkää tuuletinta pyöritti 40 000 hevosvoiman sähkömoottori. Suuren mittakaavan lentokonemalleja voitiin testata 640 km/h (400 mph) ilmanopeudella.
Saksalaisten tiedemiesten Peenemündessä ennen toista maailmansotaa ja sen aikana käyttämä tuulitunneli on mielenkiintoinen esimerkki vaikeuksista, jotka liittyvät suurten tuulitunneleiden hyötyalueen laajentamiseen. Siinä käytettiin joitakin suuria luonnonluoloja, joiden kokoa kasvatettiin kaivamalla ja jotka sitten suljettiin, jotta niihin voitiin varastoida suuria määriä ilmaa, joka voitiin sitten ohjata tuulitunneleiden läpi. Tämä innovatiivinen lähestymistapa mahdollisti laboratoriotutkimuksen suurilla nopeuksilla ja nopeutti huomattavasti Saksan ilmailutekniikan edistymistä. Sodan loppuun mennessä Saksassa oli ainakin kolme erilaista yliäänituulitunnelia, joista yksi pystyi 4,4 Machin (lämmitettyihin) ilmavirtauksiin.
Itävallan Oetztalin lähelle rakenteilla olevassa suuressa tuulitunnelissa olisi ollut kaksi puhallinta, joita olisi suoraan pyörittänyt kaksi 50 000 hevosvoiman hydrauliikkaturbiinia. Asennusta ei saatu valmiiksi sodan loppuun mennessä, ja puretut laitteet kuljetettiin vuonna 1946 Ranskan Modaneen, jossa ne pystytettiin uudelleen, ja ONERA käyttää niitä siellä edelleen. Se on maailman suurin transsoninen tuulitunnelilaitos.
Kesäkuun 22. päivänä 1942 Curtiss-Wright rahoitti yhden maan suurimmista aliäänituulitunneleista rakentamisen Buffaloon, N.Y.:ssä. Rakennuksen ensimmäinen betonirakenne valettiin 22. kesäkuuta 1942 paikalle, josta tuli myöhemmin Calspan, jossa toimii edelleen Yhdysvaltojen suurin itsenäisesti omistettu tuulitunneli.
Toisen maailmansodan loppuun mennessä Yhdysvallat oli rakentanut kahdeksan uutta tuulitunnelia, muun muassa maailman suurimman Moffett Fieldissä lähellä Sunnyvalea, Kaliforniassa, joka oli suunniteltu testaamaan täysikokoisia lentokoneita alle 250 mph:n nopeuksilla, ja pystysuuntaisen tuulitunnelin Wright Fieldissä, Ohiossa, jossa tuulivirta on ylöspäin mallien testaamiseen pyörähdystilanteissa sekä konseptien ja insinöörisuunnittelun testaamiseen ensimmäisille Yhdysvalloissa lennetyille alkeellisille helikoptereille.
Toisen maailmansodan jälkeenEdit
Toista mediaa
Myöhemmässä tutkimuksessa, jossa tutkittiin ilmavirtauksia lähellä äänennopeutta tai äänennopeuden yläpuolella, hyödynnettiin samankaltaista lähestymistapaa. Metallisia painekammioita käytettiin varastoimaan korkeapaineista ilmaa, jota sitten kiihdytettiin yliäänivirtausta varten suunnitellun suuttimen läpi. Tarkkailu- tai instrumenttikammio (”testiosa”) sijoitettiin sitten kurkkuun tai suuttimeen halutulle ilmanopeudelle sopivaan paikkaan.
Yhdysvalloissa huoli amerikkalaisten tutkimuslaitosten jälkeenjääneisyydestä saksalaisten rakentamiin laitoksiin verrattuna johti vuonna 1949 annettuun Unitary Wind Tunnel Plan Act -lakiin, joka oikeutti menot uusien tuulitunneleiden rakentamiseen yliopistoihin ja sotilaskohteisiin. Joitakin saksalaisia sota-ajan tuulitunneleita purettiin ja lähetettiin Yhdysvaltoihin osana suunnitelmaa saksalaisen teknologian kehityksen hyödyntämiseksi.
Rajoitetuissa sovelluksissa laskennallinen nestedynamiikka (Computational fluid dynamics, CFD) voi täydentää tai mahdollisesti korvata tuulitunnelien käytön. Esimerkiksi kokeellinen rakettikone SpaceShipOne suunniteltiin ilman tuulitunneleita. Eräässä testissä siipien pintaan kiinnitettiin kuitenkin lentolankoja, jolloin todellisen lennon aikana suoritettiin tuulitunnelityyppinen testi laskennallisen mallin tarkentamiseksi. Kun ulkoinen turbulenttinen virtaus on läsnä, CFD ei ole käytännöllinen nykyisten laskentaresurssien rajoitusten vuoksi. Esimerkiksi rakenteiden, siltojen, maaston jne. päällä ja ympärillä tapahtuvan virtauksen vaikutusten määrittäminen on edelleen liian monimutkainen CFD:n käyttöön.
Tehokkain tapa simuloida ulkoista turbulenttista virtausta on rajakerroksen tuulitunneli.
Rajakerroksen tuulitunnelissa mallintamiselle on monia sovelluksia. Esimerkiksi tuulen vaikutuksen ymmärtäminen korkeisiin rakennuksiin, tehtaisiin, siltoihin jne. voi auttaa rakennussuunnittelijoita rakentamaan rakenteen, joka kestää tuulen vaikutukset mahdollisimman tehokkaasti. Toinen merkittävä rajakerroksen tuulitunnelimallinnuksen sovellus on sairaaloiden, laboratorioiden ja muiden päästölähteiden pakokaasujen leviämismallien ymmärtäminen. Muita esimerkkejä rajakerroksen tuulitunnelisovelluksista ovat jalankulkijoiden viihtyvyyden ja lumen ajelehtimisen arviointi. Tuulitunnelimallinnus on hyväksytty menetelmäksi, joka auttaa vihreiden rakennusten suunnittelussa. Esimerkiksi rajakerroksen tuulitunnelimallinnusta voidaan käyttää hyvityksenä Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) -sertifioinnissa U.S. Green Building Councilin kautta.
Tuulitunnelikokeet rajakerroksen tuulitunnelissa mahdollistavat maan pinnan luonnollisen vastuksen simuloinnin. Tarkkuuden kannalta on tärkeää simuloida keskimääräistä tuulen nopeusprofiilia ja turbulenssivaikutuksia ilmakehän rajakerroksessa. Useimmissa säännöissä ja standardeissa tunnustetaan, että tuulitunnelitestaus voi tuottaa luotettavaa tietoa suunnittelijoille erityisesti silloin, kun heidän hankkeensa sijaitsevat monimutkaisessa maastossa tai alttiilla paikoilla.
Yhdysvalloissa monia tuulitunneleita on poistettu käytöstä viimeisten 20 vuoden aikana, mukaan lukien joitakin historiallisia laitoksia. Jäljellä oleviin tuulitunneleihin kohdistuu paineita, jotka johtuvat käytön vähenemisestä tai epäsäännöllisyydestä, korkeista sähkökustannuksista ja joissakin tapauksissa sen kiinteistön korkeasta arvosta, jolla laitos sijaitsee. Toisaalta CFD:n validointiin tarvitaan edelleen tuulitunnelitietoja, ja näin tulee todennäköisesti olemaan myös lähitulevaisuudessa. Tutkimuksia on tehty ja muita on tekeillä sotilaallisten ja kaupallisten tuulitunnelien tulevien tarpeiden arvioimiseksi, mutta lopputulos on edelleen epävarma. Viime aikoina yhä useammat suihkukäyttöiset, instrumentoidut miehittämättömät ajoneuvot ovat korvanneet osan tuulitunneleiden perinteisistä käyttötarkoituksista. Maailman nopein tuulitunneli vuonna 2019 on LENS-X-tuulitunneli, joka sijaitsee Buffalossa, New Yorkissa.