EredetSzerkesztés
Az angol hadmérnök és matematikus Benjamin Robins (1707-1751) feltalált egy örvénylő kart a légellenállás meghatározására, és elvégezte a repüléselmélet első kísérleteinek egy részét.
Sir George Cayley (1773-1857) szintén örvénylő kart használt a különböző szárnyprofilok légellenállásának és felhajtóerejének mérésére. Az ő örvénylő karja 1,5 m (5 láb) hosszú volt, és 10 és 20 láb/másodperc (3-6 m/s) közötti csúcssebességet ért el.
Otto Lilienthal forgó karral pontosan megmérte a szárnyprofilokat különböző állásszögekkel, megállapítva azok felhajtóerő-húzás arányának polárdiagramjait, de hiányoztak az indukált ellenállás és a Reynolds-szám fogalmai.
Mégis, az örvénylő kar nem hoz létre megbízható légáramlást, amely normális beesésnél becsapódik a vizsgált alakzatba. A centrifugális erők és az a tény, hogy a tárgy a saját nyomában mozog, azt jelenti, hogy a légáramlás részletes vizsgálata nehézkes. Francis Herbert Wenham (1824-1908), a Nagy-Britanniai Aeronautikai Társaság tanácstagja 1871-ben az első zárt szélcsatorna feltalálásával, megtervezésével és működtetésével foglalkozott ezekkel a problémákkal. Miután ez az áttörés megtörtént, az eszköz segítségével gyorsan sikerült részletes műszaki adatokat kinyerni. Wenhamnek és kollégájának, John Browningnak számos alapvető felfedezést tulajdonítanak, köztük az l/d arányok mérését és a nagy oldalarány kedvező hatásainak felfedezését.
Konstantin Csiolkovszkij 1897-ben épített egy nyitott szelvényű szélcsatornát centrifugális fúvóval, és meghatározta a sík lemezek, hengerek és gömbök légellenállási együtthatóit.
Poul la Cour dán feltaláló az 1890-es évek elején szélcsatornákat alkalmazott a szélturbinák technológiájának fejlesztése és finomítása során. 1897-től Carl Rickard Nyberg szélcsatornát használt a Flugan tervezésekor.
Egy klasszikus kísérletsorozatban az angol Osborne Reynolds (1842-1912) a Manchesteri Egyetemről bebizonyította, hogy a légáramlás mintázata egy méretarányos modell felett azonos lesz a teljes méretű jármű esetében, ha egy bizonyos áramlási paraméter mindkét esetben azonos. Ez a ma Reynolds-számként ismert tényező alapvető paraméter minden folyadékáramlási helyzet leírásában, beleértve az áramlási minták alakját, a hőátadás könnyűségét és a turbulencia kialakulását. Ez a központi tudományos indoklása annak, hogy a szélcsatornákban modelleket használnak a valós jelenségek szimulálására. Vannak azonban olyan körülményekre vonatkozó korlátozások, amelyekben a dinamikus hasonlóság kizárólag a Reynolds-számon alapul.
A Wright fivérek 1901-ben egy egyszerű szélcsatornát használtak a légáramlás különböző formák feletti hatásainak tanulmányozására a Wright Flyer kifejlesztése során, ami bizonyos szempontból forradalmi volt. A fentiekből azonban látható, hogy egyszerűen az akkoriban elfogadott technológiát használták, bár ez Amerikában még nem volt elterjedt technológia.
Franciaországban Gustave Eiffel (1832-1923) 1909-ben építette meg első, 50 kW-os villanymotorral hajtott, nyitott visszacsatornás szélcsatornáját a Champs-de-Mars-on, a nevét viselő torony lábánál.
Eiffel 1909 és 1912 között mintegy 4000 tesztet hajtott végre szélcsatornájában, és szisztematikus kísérletezései új mércét állítottak fel a repüléstechnikai kutatásban. 1912-ben Eiffel laboratóriumát Párizs egyik külvárosába, Auteuilbe költöztette, ahol a kétméteres vizsgálati szelvénnyel rendelkező szélcsatornája ma is működik. Eiffel jelentősen javította a nyitott visszatérésű szélcsatorna hatékonyságát azáltal, hogy a vizsgálati szekciót egy kamrába zárta, egy méhsejt alakú áramlásegyengetővel ellátott kibővített beömlőnyílást tervezett, és egy diffúzort épített a vizsgálati szekció és a diffúzor alsó végén található ventilátor közé; ezt az elrendezést később számos szélcsatorna követte; a nyitott visszatérésű, kis sebességű szélcsatornát gyakran Eiffel-típusú szélcsatornának nevezik.
Széleskörű használatSzerkesztés
A szélcsatornák későbbi használata az aerodinamika tudományának és a repülőmérnöki tudományágnak a kialakulásával, valamint a légi közlekedés és energetika fejlődésével egyre jobban elterjedt.
Az amerikai haditengerészet 1916-ban megépítette a világ akkori egyik legnagyobb szélcsatornáját a washingtoni haditengerészeti hajógyárban. A bemeneti rész átmérője közel 3,4 m (11 láb), a kivezető rész átmérője pedig 2,1 m (7 láb) volt. Egy 500 lóerős villanymotor hajtotta a lapát típusú ventilátorlapátokat.
1931-ben a NACA épített egy 30 láb x 60 láb méretű teljes léptékű szélcsatornát a Langley Research Centerben, Langleyben, Virginia államban. Az alagutat egy 4000 lóerős villanymotorral hajtott ventilátorpár hajtotta. Az elrendezés kettős visszafordítású, zárt hurok formátumú volt, és számos teljes méretű valódi repülőgépet, valamint méretarányos modelleket tudott befogadni. Az alagutat végül bezárták, és bár 1995-ben nemzeti történelmi műemlékké nyilvánították, 2010-ben megkezdődött a bontása.
A második világháborúig a világ legnagyobb szélcsatornája, amelyet 1932-1934-ben építettek, Párizs egyik külvárosában, a franciaországi Chalais-Meudonban állt. Teljes méretű repülőgépek tesztelésére tervezték, és hat nagy ventilátorral rendelkezett, amelyeket nagy teljesítményű villanymotorok hajtottak. A Chalais-Meudon szélcsatornát az ONERA 1976-ig S1Ch néven használta többek között a Caravelle és a Concorde repülőgépek fejlesztésében. Ma ezt a szélcsatornát nemzeti műemlékként őrzik.
Ludwig Prandtl Theodore von Kármán tanára volt a Göttingeni Egyetemen, és az általuk tervezett léghajók tesztjeihez egy szélcsatorna építését javasolta:44 Az alagútban a henger alatti örvénylés örvényutcáját vizsgálták.:63 Amikor később az aacheni egyetemre költözött, felidézte ennek a létesítménynek a használatát:
Emlékeztem, hogy a göttingeni szélcsatornát a Zeppelin viselkedésének tanulmányozására kezdték el használni, de minden másban értékesnek bizonyult, a hajó kéményéből kiáramló füst irányának meghatározásától kezdve egészen addig, hogy egy adott repülőgép repülni fog-e vagy sem. Úgy éreztem, hogy az aacheni előrelépés gyakorlatilag lehetetlen lenne egy jó szélcsatorna nélkül. “76
Amikor von Kármán konzultálni kezdett a Caltech-nél, Clark Millikannal és Arthur L. Kleinnel dolgozott együtt. “124 Tiltakozott a tervezésük ellen, és ragaszkodott a visszaáramláshoz, amely a készüléket “a külső légkör ingadozásaitól függetlenné teszi”. Ez 1930-ban készült el, és a Northrop Alpha teszteléséhez használták.:169
1939-ben Arnold tábornok megkérdezte, hogy mi szükséges az USAF előrelépéséhez, mire von Kármán így válaszolt: “Az első lépés a megfelelő szélcsatorna megépítése.”:226 Másrészt a Bell X-2 sikerei és a fejlettebb kutatások kilátásba helyezése után ezt írta: “Támogattam egy ilyen repülőgép megépítését, mert soha nem hittem abban, hogy egy szélcsatornából mindenre választ lehet kapni.”:302-03
Második világháborúSzerkesztés
1941-ben az USA megépítette az egyik legnagyobb szélcsatornát abban az időben az ohiói Daytonban lévő Wright Field-en. Ez a szélcsatorna 45 láb (14 m) magasságban kezdődik, és 20 láb (6,1 m) átmérőjűre szűkül. Két 40 láb (12 m) hosszú ventilátort egy 40 000 lóerős villanymotor hajtott. Nagyméretű repülőgépmodelleket 400 mph (640 km/h) légsebességgel lehetett tesztelni.
A német tudósok által Peenemündében a második világháború előtt és alatt használt szélcsatorna érdekes példája a nagy szélcsatornák hasznos hatótávolságának kiterjesztésével kapcsolatos nehézségeknek. Néhány nagy természetes barlangot használtak, amelyek méretét feltárással növelték, majd lezárták, hogy nagy mennyiségű levegőt tároljanak, amelyet aztán a szélcsatornákon keresztül lehetett vezetni. Ez az innovatív megközelítés lehetővé tette a laboratóriumi kutatást nagy sebességű üzemmódokban, és nagymértékben felgyorsította a német repüléstechnikai erőfeszítések előrehaladását. A háború végére Németországnak legalább három különböző szuperszonikus szélcsatornája volt, egy pedig 4,4 Mach (fűtött) légáramlásra volt képes.
Az ausztriai Oetztal közelében épülő nagy szélcsatorna két ventilátorral rendelkezett volna, amelyeket közvetlenül két 50 000 lóerős hidraulikus turbina hajtott volna. A létesítményt a háború végére nem fejezték be, és a leszerelt berendezést 1946-ban a franciaországi Modane-ba szállították, ahol újra felállították, és az ONERA a mai napig ott üzemelteti. A 8 méteres vizsgálati szakaszával és a Mach 1-ig terjedő légsebességével ez a világ legnagyobb transzszonikus szélcsatorna létesítménye.
1942. június 22-én a Curtiss-Wright finanszírozta az ország egyik legnagyobb szubszonikus szélcsatornájának építését Buffalóban, N.Y.-ban. 1942. június 22-én öntötték az első betont az épülethez azon a helyen, amely végül a Calspan lett, ahol az Egyesült Államok legnagyobb független tulajdonú szélcsatornája ma is működik.
A második világháború végére az USA nyolc új szélcsatornát épített, köztük a világ legnagyobb szélcsatornáját a kaliforniai Sunnyvale közelében lévő Moffett Field-en, amelyet teljes méretű repülőgépek tesztelésére terveztek 250 mph-nál kisebb sebességgel, valamint egy függőleges szélcsatornát az ohiói Wright Field-en, ahol a széláramlatot felfelé irányították a modellek kipörgési helyzetekben való teszteléséhez, valamint az USA-ban repült első primitív helikopterek koncepcióinak és műszaki terveinek teszteléséhez.
A második világháború utánSzerkesztés
Play media
A hangsebességhez közeli vagy azt meghaladó légáramlatok későbbi kutatása hasonló megközelítést alkalmazott. Fém nyomókamrákat használtak nagynyomású levegő tárolására, amelyet aztán egy szuperszonikus áramlásra tervezett fúvókán keresztül gyorsítottak fel. A megfigyelő vagy műszeres kamrát (“vizsgálati szekciót”) ezután a kívánt légsebességnek megfelelő helyre helyezték a torokban vagy fúvókában.
Az Egyesült Államokban a németek által építettekhez képest az amerikai kutatási létesítmények lemaradása miatti aggodalom vezetett az 1949. évi Unitary Wind Tunnel Plan Act (Egységes szélcsatorna terv) törvényhez, amely engedélyezte az egyetemeken és katonai helyszíneken új szélcsatornák építésére irányuló kiadásokat. A német technológiai fejlesztések kiaknázására irányuló terv részeként néhány háborús német szélcsatornát leszereltek és az Egyesült Államokba szállítottak.
A számításos áramlástan (CFD) korlátozott alkalmazások esetében kiegészítheti vagy esetleg helyettesítheti a szélcsatornák használatát. A SpaceShipOne kísérleti rakétarepülőgépet például szélcsatorna használata nélkül tervezték. Az egyik teszt során azonban a szárnyak felületére repülési szálakat erősítettek, így egy tényleges repülés során szélcsatorna-típusú vizsgálatot végeztek a számítási modell finomítása érdekében. Ahol külső turbulens áramlás van jelen, ott a CFD a mai számítási erőforrások korlátai miatt nem kivitelezhető. Például egy olyan terület, amely még mindig túlságosan összetett a CFD használatához, a szerkezeteken, hidakon, terepen stb. fellépő és azokat körülvevő áramlás hatásainak meghatározása.
A külső turbulens áramlás szimulációjának leghatékonyabb módja a határréteg-szélcsatorna használata.
A határréteg-szélcsatorna modellezésének számos alkalmazása van. Például a szél magas épületekre, gyárakra, hidakra stb. gyakorolt hatásának megértése segíthet az épületek tervezőinek olyan szerkezetet építeni, amely a lehető leghatékonyabban ellenáll a szélhatásoknak. A határréteg-szélcsatorna modellezés másik jelentős alkalmazása a kórházak, laboratóriumok és más kibocsátó források kipufogógáz-szóródási mintázatának megértése. A határréteg-szélcsatornás alkalmazások további példái a gyalogosok kényelmének és a hó elsodródásának értékelése. A szélcsatorna-modellezés elfogadott módszer a zöld épületek tervezésének segítésére. A határréteg-szélcsatorna-modellezés például a LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) minősítéshez az Egyesült Államok Zöld Épületek Tanácsán keresztül kreditpontként használható.
A határréteg-szélcsatornában végzett szélcsatorna-vizsgálatok lehetővé teszik a Föld felszínének természetes ellenállásának szimulálását. A pontosság érdekében fontos az átlagos szélsebességprofil és a légköri határrétegen belüli turbulenciahatások szimulálása. A legtöbb szabályzat és szabvány elismeri, hogy a szélcsatorna-vizsgálatok megbízható információkat szolgáltathatnak a tervezők számára, különösen akkor, ha a projektjeik bonyolult terepen vagy kitett helyen vannak.
Az Egyesült Államokban az elmúlt 20 évben számos szélcsatornát, köztük néhány történelmi létesítményt is leszereltek. A megmaradt szélcsatornákra nyomás nehezedik a csökkenő vagy rendszertelen használat, a magas villamosenergia-költségek, és egyes esetekben a létesítménynek otthont adó ingatlanok magas értéke miatt. Másrészt a CFD validálásához továbbra is szükség van szélcsatorna-adatokra, és ez valószínűleg a belátható jövőben is így lesz. A jövőbeni katonai és kereskedelmi szélcsatornaigények felmérésére már készültek és készülnek tanulmányok, de a végeredmény továbbra is bizonytalan. A közelmúltban a sugárhajtású, műszerekkel felszerelt pilóta nélküli járművek növekvő használata felváltotta a szélcsatornák néhány hagyományos felhasználási módját. A világ leggyorsabb szélcsatornája 2019-től a LENS-X szélcsatorna, amely a New York állambeli Buffalóban található.