OriginiModifica
L’ingegnere militare e matematico inglese Benjamin Robins (1707-1751) inventò un apparecchio a braccio rotante per determinare la resistenza e fece alcuni dei primi esperimenti di teoria aeronautica.
Anche Sir George Cayley (1773-1857) usò un braccio rotante per misurare la resistenza e la portanza di vari profili aerei. Il suo braccio rotante era lungo 1,5 m e raggiungeva velocità massime tra i 3 e i 6 m/s (10 e 20 piedi al secondo).
Otto Lilienthal usava un braccio rotante per misurare accuratamente i profili alari con vari angoli di attacco, stabilendo i loro diagrammi polari del rapporto di portanza e resistenza, ma non aveva le nozioni di resistenza indotta e numeri di Reynolds.
Tuttavia, il braccio vorticoso non produce un flusso d’aria affidabile che impatta la forma di prova con un’incidenza normale. Le forze centrifughe e il fatto che l’oggetto si muove nella sua stessa scia rendono difficile un esame dettagliato del flusso d’aria. Francis Herbert Wenham (1824-1908), un membro del Consiglio della Società Aeronautica della Gran Bretagna, ha affrontato questi problemi inventando, progettando e facendo funzionare la prima galleria del vento chiusa nel 1871. Una volta raggiunta questa svolta, i dati tecnici dettagliati furono rapidamente estratti dall’uso di questo strumento. A Wenham e al suo collega John Browning sono attribuite molte scoperte fondamentali, tra cui la misurazione dei rapporti l/d e la rivelazione degli effetti benefici di un alto rapporto d’aspetto.
Konstantin Tsiolkovsky costruì una galleria del vento a sezione aperta con una soffiante centrifuga nel 1897, e determinò i coefficienti di resistenza di piastre piane, cilindri e sfere.
L’inventore danese Poul la Cour applicò le gallerie del vento nel suo processo di sviluppo e perfezionamento della tecnologia delle turbine eoliche nei primi anni 1890.Carl Rickard Nyberg usò una galleria del vento quando progettò il suo Flugan dal 1897 in poi.
In una classica serie di esperimenti, l’inglese Osborne Reynolds (1842-1912) dell’Università di Manchester dimostrò che l’andamento del flusso d’aria su un modello in scala sarebbe stato lo stesso per il veicolo in scala reale se un certo parametro di flusso fosse lo stesso in entrambi i casi. Questo fattore, ora conosciuto come il numero di Reynolds, è un parametro fondamentale nella descrizione di tutte le situazioni di flusso fluido, comprese le forme dei modelli di flusso, la facilità di trasferimento del calore e l’insorgenza della turbolenza. Ciò comprende la giustificazione scientifica centrale per l’uso di modelli nelle gallerie del vento per simulare i fenomeni della vita reale. Tuttavia, ci sono limitazioni sulle condizioni in cui la somiglianza dinamica è basata solo sul numero di Reynolds.
L’uso da parte dei fratelli Wright di una semplice galleria del vento nel 1901 per studiare gli effetti del flusso d’aria su varie forme mentre sviluppavano il loro Wright Flyer fu in qualche modo rivoluzionario. Si può vedere da quanto sopra, tuttavia, che stavano semplicemente usando la tecnologia accettata del giorno, anche se questa non era ancora una tecnologia comune in America.
In Francia, Gustave Eiffel (1832-1923) costruì la sua prima galleria del vento a ritorno aperto nel 1909, alimentata da un motore elettrico da 50 kW, a Champs-de-Mars, vicino ai piedi della torre che porta il suo nome.
Tra il 1909 e il 1912 Eiffel eseguì circa 4.000 test nella sua galleria del vento, e la sua sperimentazione sistematica stabilì nuovi standard per la ricerca aeronautica.Nel 1912 il laboratorio di Eiffel fu trasferito ad Auteuil, un sobborgo di Parigi, dove la sua galleria del vento con una sezione di prova di due metri è ancora oggi operativa. Eiffel migliorò significativamente l’efficienza della galleria del vento a ritorno aperto racchiudendo la sezione di prova in una camera, progettando un ingresso svasato con un raddrizzatore di flusso a nido d’ape e aggiungendo un diffusore tra la sezione di prova e il ventilatore situato all’estremità a valle del diffusore; questa fu una disposizione seguita da un certo numero di gallerie del vento costruite successivamente; infatti la galleria del vento a ritorno aperto a bassa velocità è spesso chiamata galleria del vento di tipo Eiffel.
Uso diffusoModifica
L’uso successivo delle gallerie del vento proliferò man mano che la scienza dell’aerodinamica e la disciplina dell’ingegneria aeronautica venivano stabilite e i viaggi aerei e la potenza venivano sviluppati.
La Marina degli Stati Uniti nel 1916 costruì una delle più grandi gallerie del vento del mondo a quel tempo presso il Washington Navy Yard. L’ingresso aveva un diametro di quasi 11 piedi (3,4 m) e la parte di scarico aveva un diametro di 7 piedi (2,1 m). Un motore elettrico da 500 hp azionava le pale del ventilatore a pale.
Nel 1931 la NACA costruì una galleria del vento in scala reale di 30 piedi per 60 piedi al Langley Research Center a Langley, Virginia. Il tunnel era alimentato da una coppia di ventilatori azionati da motori elettrici da 4.000 hp. Il layout era a doppio ritorno, a circuito chiuso e poteva ospitare molti aerei reali a grandezza naturale e modelli in scala. Il tunnel è stato infine chiuso e, anche se è stato dichiarato National Historic Landmark nel 1995, la demolizione è iniziata nel 2010.
Fino alla seconda guerra mondiale, la più grande galleria del vento del mondo, costruita nel 1932-1934, si trovava in un sobborgo di Parigi, Chalais-Meudon, Francia. Era stata progettata per testare aerei a grandezza naturale e aveva sei grandi ventilatori azionati da motori elettrici ad alta potenza. La galleria del vento di Chalais-Meudon è stata utilizzata da ONERA con il nome di S1Ch fino al 1976 nello sviluppo, ad esempio, degli aerei Caravelle e Concorde. Oggi, questa galleria del vento è conservata come monumento nazionale.
Ludwig Prandtl era l’insegnante di Theodore von Kármán all’Università di Göttingen e suggerì la costruzione di una galleria del vento per i test dei dirigibili che stavano progettando. :44 La via del vortice della turbolenza a valle di un cilindro fu testata nella galleria.Quando più tardi si trasferì all’Università di Aquisgrana ricordò l’uso di questa struttura:
Ricordo che la galleria del vento a Gottinga era stata avviata come strumento per gli studi sul comportamento dello Zeppelin, ma che si era rivelata preziosa per tutto il resto, dalla determinazione della direzione del fumo dal camino di una nave, al fatto che un dato aeroplano potesse volare. I progressi ad Aquisgrana, sentivo, sarebbero stati virtualmente impossibili senza una buona galleria del vento.:76
Quando von Kármán iniziò a consultarsi con il Caltech lavorò con Clark Millikan e Arthur L. Klein.:124 Si oppose al loro progetto e insistette su un flusso di ritorno che rendesse il dispositivo “indipendente dalle fluttuazioni dell’atmosfera esterna”. Fu completato nel 1930 e usato per i test della Northrop Alpha.:169
Nel 1939 il generale Arnold chiese cosa fosse necessario per far progredire l’USAF, e von Kármán rispose: “Il primo passo è costruire la giusta galleria del vento.”:226 D’altra parte, dopo i successi del Bell X-2 e la prospettiva di una ricerca più avanzata, scrisse: “Ero favorevole alla costruzione di un tale aereo perché non ho mai creduto che si possano ottenere tutte le risposte da una galleria del vento”:302-03
Seconda guerra mondialeEdit
Nel 1941 gli Stati Uniti costruirono una delle più grandi gallerie del vento di quel tempo al Wright Field di Dayton, Ohio. Questa galleria del vento inizia a 45 piedi (14 m) e si restringe a 20 piedi (6,1 m) di diametro. Due ventole da 40 piedi (12 m) erano azionate da un motore elettrico da 40.000 hp. Modelli di aerei in grande scala potevano essere testati a velocità dell’aria di 400 mph (640 km/h).
La galleria del vento usata dagli scienziati tedeschi a Peenemünde prima e durante la seconda guerra mondiale è un interessante esempio delle difficoltà associate all’estensione del campo utile delle grandi gallerie del vento. Utilizzava alcune grandi grotte naturali che venivano aumentate di dimensioni tramite scavi e poi sigillate per immagazzinare grandi volumi d’aria che potevano poi essere indirizzati attraverso le gallerie del vento. Questo approccio innovativo permise la ricerca di laboratorio in regimi ad alta velocità e accelerò notevolmente il tasso di avanzamento degli sforzi di ingegneria aeronautica della Germania. Entro la fine della guerra, la Germania aveva almeno tre diverse gallerie del vento supersoniche, con una capace di flussi d’aria a Mach 4,4 (riscaldati).
Una grande galleria del vento in costruzione vicino a Oetztal, Austria avrebbe avuto due ventilatori direttamente azionati da due turbine idrauliche da 50.000 cavalli. L’installazione non fu completata entro la fine della guerra e l’attrezzatura smontata fu spedita a Modane, in Francia, nel 1946, dove fu rimontata ed è ancora gestita dall’ONERA. Con la sua sezione di prova di 8 metri e la velocità dell’aria fino a Mach 1, è la più grande struttura di galleria del vento transonica del mondo.
Il 22 giugno 1942 Curtiss-Wright finanziò la costruzione di una delle più grandi gallerie del vento subsoniche della nazione a Buffalo, N.Y. Il primo cemento per la costruzione fu versato il 22 giugno 1942 su un sito che sarebbe poi diventato il Calspan, dove la più grande galleria del vento di proprietà indipendente negli Stati Uniti opera ancora.
Per la fine della seconda guerra mondiale, gli Stati Uniti avevano costruito otto nuove gallerie del vento, tra cui la più grande al mondo a Moffett Field vicino a Sunnyvale, California, che è stata progettata per testare aerei di dimensioni reali a velocità inferiori a 250 mph e una galleria del vento verticale a Wright Field, Ohio, dove il flusso del vento è verso l’alto per il test di modelli in situazioni di rotazione e i concetti e i progetti ingegneristici per i primi elicotteri primitivi volati negli Stati Uniti.
Dopo la seconda guerra mondialeModifica
Riproduci media
Più tardi la ricerca sui flussi d’aria vicino o sopra la velocità del suono usò un approccio correlato. Camere di pressione metalliche sono state utilizzate per immagazzinare aria ad alta pressione che è stata poi accelerata attraverso un ugello progettato per fornire un flusso supersonico. La camera di osservazione o di strumentazione (“sezione di prova”) veniva poi collocata nella posizione appropriata nella gola o nell’ugello per la velocità dell’aria desiderata.
Negli Stati Uniti, la preoccupazione per il ritardo delle strutture di ricerca americane rispetto a quelle costruite dai tedeschi ha portato all’Unitary Wind Tunnel Plan Act del 1949, che ha autorizzato la spesa per costruire nuove gallerie del vento nelle università e nei siti militari. Alcune gallerie del vento tedesche del periodo della guerra furono smantellate per essere spedite negli Stati Uniti come parte del piano per sfruttare gli sviluppi della tecnologia tedesca.
Per applicazioni limitate, la fluidodinamica computazionale (CFD) può integrare o eventualmente sostituire l’uso delle gallerie del vento. Per esempio, l’aereo razzo sperimentale SpaceShipOne è stato progettato senza alcun uso di gallerie del vento. Tuttavia, in un test, i fili di volo sono stati attaccati alla superficie delle ali, eseguendo un test di tipo galleria del vento durante un volo reale, al fine di perfezionare il modello computazionale. Dove è presente un flusso turbolento esterno, il CFD non è pratico a causa delle limitazioni delle risorse di calcolo attuali. Per esempio, un’area che è ancora troppo complessa per l’uso della CFD è la determinazione degli effetti del flusso su e intorno a strutture, ponti, terreni, ecc.
Il modo più efficace per simulare un flusso turbolento esterno è attraverso l’uso di una galleria del vento a strato limite. Per esempio, capire l’impatto del vento su grattacieli, fabbriche, ponti, ecc. può aiutare i progettisti a costruire una struttura che resista agli effetti del vento nel modo più efficiente possibile. Un’altra applicazione significativa per la modellazione della galleria del vento a strato limite è la comprensione dei modelli di dispersione dei gas di scarico per ospedali, laboratori e altre fonti di emissione. Altri esempi di applicazioni della galleria del vento a strato limite sono le valutazioni del comfort dei pedoni e della deriva della neve. La modellazione della galleria del vento è accettata come un metodo per aiutare la progettazione di edifici ecologici. Per esempio, l’uso della modellazione della galleria del vento a strato limite può essere usato come credito per la certificazione Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) attraverso il Green Building Council degli Stati Uniti.
I test in una galleria del vento a strato limite permettono di simulare la resistenza naturale della superficie terrestre. Per la precisione, è importante simulare il profilo della velocità media del vento e gli effetti della turbolenza all’interno dello strato limite dell’atmosfera. La maggior parte dei codici e degli standard riconosce che i test nella galleria del vento possono produrre informazioni affidabili per i progettisti, specialmente quando i loro progetti si trovano su terreni complessi o su siti esposti.
Negli Stati Uniti, molte gallerie del vento sono state dismesse negli ultimi 20 anni, comprese alcune strutture storiche. Le gallerie del vento rimanenti sono sottoposte a pressioni a causa di un utilizzo in calo o irregolare, dei costi elevati dell’elettricità e, in alcuni casi, dell’alto valore della proprietà immobiliare su cui si trova l’impianto. D’altra parte, la convalida CFD richiede ancora i dati della galleria del vento, ed è probabile che sia così per il prossimo futuro. Sono stati fatti degli studi e altri sono in corso per valutare le future esigenze militari e commerciali della galleria del vento, ma il risultato rimane incerto. Più di recente, un uso crescente di veicoli senza equipaggio strumentati e alimentati da jet ha sostituito alcuni degli usi tradizionali delle gallerie del vento. La galleria del vento più veloce del mondo a partire dal 2019 è la galleria del vento LENS-X, situata a Buffalo, New York.