OriginsEdit
De Engelse militair ingenieur en wiskundige Benjamin Robins (1707-1751) vond een wervelarmapparaat uit om de luchtweerstand te bepalen en deed enkele van de eerste experimenten in de luchtvaarttheorie.
Sir George Cayley (1773-1857) gebruikte ook een wervelarm om de luchtweerstand en de lift van verschillende vliegtuigprofielen te meten. Zijn wervelende arm was 1,5 m lang en haalde topsnelheden tussen 3 en 6 m/s.
Otto Lilienthal gebruikte een roterende arm om nauwkeurig vleugelprofielen met verschillende invalshoeken te meten, waarbij hij hun lift-dragverhouding polaire diagrammen vaststelde, maar hij miste de begrippen geïnduceerde weerstand en Reynoldsgetallen.
Hoewel, de wervelende arm produceert geen betrouwbare luchtstroom die de testvorm raakt bij een normale invalshoek. Centrifugale krachten en het feit dat het voorwerp in zijn eigen kielzog beweegt, maken een gedetailleerd onderzoek van de luchtstroom moeilijk. Francis Herbert Wenham (1824-1908), een lid van de Raad van de Aeronautical Society of Great Britain, pakte deze problemen aan door in 1871 de eerste gesloten windtunnel uit te vinden, te ontwerpen en te gebruiken. Toen deze doorbraak eenmaal was bereikt, konden met behulp van dit instrument snel gedetailleerde technische gegevens worden verkregen. Aan Wenham en zijn collega John Browning worden vele fundamentele ontdekkingen toegeschreven, waaronder de meting van l/d-verhoudingen, en de onthulling van de gunstige effecten van een hoge hoogte-breedteverhouding.
Konstantin Tsiolkovsky bouwde in 1897 een windtunnel met open doorsnede en een centrifugaalventilator, en bepaalde de luchtweerstandscoëfficiënten van vlakke platen, cilinders en bollen.
De Deense uitvinder Poul la Cour paste windtunnels toe in zijn proces van ontwikkeling en verfijning van de technologie van windturbines in het begin van de jaren 1890.Carl Rickard Nyberg gebruikte een windtunnel bij het ontwerpen van zijn Flugan vanaf 1897.
In een klassieke reeks experimenten toonde de Engelsman Osborne Reynolds (1842-1912) van de Universiteit van Manchester aan dat het luchtstromingspatroon over een schaalmodel hetzelfde zou zijn voor het voertuig op ware grootte, indien een bepaalde stromingsparameter in beide gevallen gelijk zou zijn. Deze factor, die nu bekend staat als het getal van Reynolds, is een basisparameter bij de beschrijving van alle vloeistofstromingssituaties, met inbegrip van de vorm van stromingspatronen, het gemak van warmteoverdracht, en het ontstaan van turbulentie. Dit vormt de centrale wetenschappelijke rechtvaardiging voor het gebruik van modellen in windtunnels om verschijnselen uit de werkelijkheid te simuleren. Er zijn echter beperkingen aan de omstandigheden waarin de dynamische gelijkenis alleen op het getal van Reynolds is gebaseerd.
Het gebruik van een eenvoudige windtunnel door de gebroeders Wright in 1901 om de effecten van luchtstroming over verschillende vormen te bestuderen tijdens de ontwikkeling van hun Wright Flyer was in zekere zin revolutionair. Uit het bovenstaande blijkt echter dat zij gewoon gebruik maakten van de gangbare technologie van die tijd, hoewel dit in Amerika nog geen gangbare technologie was.
In Frankrijk bouwde Gustave Eiffel (1832-1923) in 1909 zijn eerste open windtunnel, aangedreven door een 50 kW elektromotor, op Champs-de-Mars, vlakbij de voet van de toren die zijn naam draagt.
Tussen 1909 en 1912 voerde Eiffel ongeveer 4.000 tests uit in zijn windtunnel, en zijn systematische experimenten stelden nieuwe normen voor luchtvaartkundig onderzoek.In 1912 werd Eiffels laboratorium verplaatst naar Auteuil, een voorstad van Parijs, waar zijn windtunnel met een testsectie van twee meter nog steeds operationeel is. Eiffel verbeterde de efficiëntie van de open-return windtunnel aanzienlijk door de testsectie in een kamer in te sluiten, een uitlopende inlaat te ontwerpen met een honingraat stromingsrichter en een diffusor toe te voegen tussen de testsectie en de ventilator die zich aan het stroomafwaartse uiteinde van de diffusor bevindt; dit was een regeling die door een aantal later gebouwde windtunnels werd gevolgd; in feite wordt de open-return lage-snelheid windtunnel vaak de Eiffel-type windtunnel genoemd.
Wijdverbreid gebruikEdit
Toen de wetenschap van de aërodynamica en de discipline van de luchtvaarttechniek tot stand kwamen en het luchtverkeer en de luchtkracht werden ontwikkeld, werden windtunnels steeds meer gebruikt.
De US Navy bouwde in 1916 op de Washington Navy Yard een van de grootste windtunnels ter wereld van die tijd. De inlaat was bijna 11 voet (3,4 m) in diameter en het uitstroomgedeelte was 7 voet (2,1 m) in diameter. Een elektromotor van 500 pk dreef de schoepvormige ventilatorbladen aan.
In 1931 bouwde de NACA een windtunnel van 30 voet bij 60 voet op ware grootte in het Langley Research Center in Langley, Virginia. De tunnel werd aangedreven door een paar ventilatoren die werden aangedreven door 4.000 pk elektromotoren. De opstelling was een dubbel-retour, gesloten-lus formaat en bood plaats aan vele echte vliegtuigen op ware grootte en schaalmodellen. De tunnel werd uiteindelijk gesloten en, hoewel hij in 1995 werd uitgeroepen tot een National Historic Landmark, begon de sloop in 2010.
Tot de Tweede Wereldoorlog stond de grootste windtunnel ter wereld, gebouwd in 1932-1934, in een voorstad van Parijs, Chalais-Meudon, Frankrijk. Hij was ontworpen om vliegtuigen van ware grootte te testen en had zes grote ventilatoren die werden aangedreven door krachtige elektrische motoren. De windtunnel van Chalais-Meudon werd tot 1976 door ONERA onder de naam S1Ch gebruikt bij de ontwikkeling van o.a. de Caravelle en de Concorde vliegtuigen. Vandaag de dag is deze windtunnel bewaard gebleven als een nationaal monument.
Ludwig Prandtl was de leraar van Theodore von Kármán aan de Universiteit van Göttingen en stelde voor een windtunnel te bouwen voor het testen van luchtschepen die zij aan het ontwerpen waren.:44 De wervelstraat van turbulentie stroomafwaarts van een cilinder werd in de tunnel getest.:63 Toen hij later naar de Universiteit van Aken verhuisde, herinnerde hij zich het gebruik van deze faciliteit:
Ik herinnerde mij dat de windtunnel in Göttingen was begonnen als een instrument voor studies van het gedrag van Zeppelins, maar dat hij waardevol was gebleken voor al het andere, van het bepalen van de richting van de rook uit de schoorsteen van een schip, tot de vraag of een bepaald vliegtuig zou vliegen. Vooruitgang in Aken, vond ik, zou vrijwel onmogelijk zijn zonder een goede windtunnel.:76
Toen von Kármán met Caltech ging overleggen werkte hij samen met Clark Millikan en Arthur L. Klein.:124 Hij had bezwaar tegen hun ontwerp en drong aan op een retourstroom waardoor het apparaat “onafhankelijk van de schommelingen van de buitenatmosfeer” zou worden. Het werd in 1930 voltooid en gebruikt voor Northrop Alpha testen.:169
In 1939 vroeg Generaal Arnold wat er nodig was om de USAF vooruit te helpen, en von Kármán antwoordde: “De eerste stap is het bouwen van de juiste windtunnel.”:226 Aan de andere kant, na de successen van de Bell X-2 en het vooruitzicht van meer geavanceerd onderzoek, schreef hij: “Ik was voorstander van het bouwen van zo’n vliegtuig omdat ik nooit heb geloofd dat je alle antwoorden uit een windtunnel kunt halen.”:302-03
Wereldoorlog IIEdit
In 1941 bouwde de VS een van de grootste windtunnels van dat moment op Wright Field in Dayton, Ohio. Deze windtunnel begint op 45 voet (14 m) en versmalt tot 20 voet (6,1 m) in diameter. Twee ventilatoren van 12 m (40 voet) werden aangedreven door een elektrische motor van 40.000 pk. Grote vliegtuigmodellen konden worden getest bij luchtsnelheden van 400 mph (640 km/u).
De windtunnel die door Duitse wetenschappers in Peenemünde werd gebruikt voor en tijdens de Tweede Wereldoorlog is een interessant voorbeeld van de moeilijkheden die gepaard gaan met het uitbreiden van het bruikbare bereik van grote windtunnels. Er werd gebruik gemaakt van enkele grote natuurlijke grotten die door uitgraving in omvang werden vergroot en vervolgens werden afgesloten om grote hoeveelheden lucht op te slaan die vervolgens door de windtunnels konden worden geleid. Deze innovatieve aanpak maakte laboratoriumonderzoek in hogesnelheidsregimes mogelijk en versnelde de vooruitgang van de Duitse luchtvaarttechniek aanzienlijk. Tegen het einde van de oorlog beschikte Duitsland over tenminste drie verschillende supersonische windtunnels, waarvan er één in staat was tot Mach 4.4 (verwarmde) luchtstromen.
Een grote windtunnel in aanbouw bij Oetztal, Oostenrijk zou twee ventilatoren hebben gehad die rechtstreeks werden aangedreven door twee hydraulische turbines van 50.000 paardenkrachten. De installatie was aan het eind van de oorlog niet voltooid en de ontmantelde apparatuur werd in 1946 naar Modane in Frankrijk verscheept, waar zij opnieuw werd opgebouwd en daar nog steeds door de ONERA wordt geëxploiteerd. Met zijn testsecties van 8 m en luchtsnelheden tot Mach 1 is het de grootste transonische windtunnelfaciliteit ter wereld.
Op 22 juni 1942 financierde Curtiss-Wright de bouw van een van ’s lands grootste subsonische windtunnels in Buffalo, N.Y. Het eerste beton voor het gebouw werd op 22 juni 1942 gestort op een terrein dat uiteindelijk Calspan zou worden, waar de grootste onafhankelijke windtunnel in de Verenigde Staten nog steeds in bedrijf is.
Tegen het einde van de Tweede Wereldoorlog hadden de VS acht nieuwe windtunnels gebouwd, waaronder de grootste ter wereld op Moffett Field in de buurt van Sunnyvale, Californië, die was ontworpen om full size vliegtuigen te testen bij snelheden van minder dan 250 mph en een verticale windtunnel op Wright Field, Ohio, waar de windstroom naar boven is voor het testen van modellen in spinsituaties en de concepten en engineeringontwerpen voor de eerste primitieve helikopters die in de VS vlogen.
Na de Tweede WereldoorlogEdit
Media afspelen
Later onderzoek naar luchtstromingen dichtbij of boven de geluidssnelheid gebruikte een verwante aanpak. Metalen drukkamers werden gebruikt om lucht onder hoge druk op te slaan, die vervolgens werd versneld door een mondstuk dat was ontworpen om supersonische stroming te leveren. De observatie- of instrumentatiekamer (“testsectie”) werd dan op de juiste plaats in de keel of het mondstuk geplaatst voor de gewenste luchtsnelheid.
In de Verenigde Staten leidde de bezorgdheid over de achterstand van de Amerikaanse onderzoeksfaciliteiten vergeleken met die welke door de Duitsers werden gebouwd tot de Unitary Wind Tunnel Plan Act van 1949, die uitgaven toestond voor de bouw van nieuwe windtunnels aan universiteiten en op militaire locaties. Sommige Duitse windtunnels uit de oorlogstijd werden ontmanteld om naar de Verenigde Staten te worden verscheept als onderdeel van het plan om de Duitse technologische ontwikkelingen te exploiteren.
Voor beperkte toepassingen kan Computational fluid dynamics (CFD) het gebruik van windtunnels aanvullen of eventueel vervangen. Zo werd het experimentele raketvliegtuig SpaceShipOne ontworpen zonder gebruik te maken van windtunnels. Bij één test werden echter vluchtdraden aan het oppervlak van de vleugels bevestigd, waardoor tijdens een echte vlucht een soort windtunneltest werd uitgevoerd om het berekeningsmodel te verfijnen. Waar externe turbulente stroming aanwezig is, is CFD niet praktisch wegens beperkingen in de huidige computerhulpbronnen. Een gebied dat bijvoorbeeld nog veel te complex is voor het gebruik van CFD is het bepalen van de effecten van stroming op en rond structuren, bruggen, terreinen, enz.
De meest effectieve manier om externe turbulente stroming te simuleren is door gebruik te maken van een grenslaagwindtunnel.
Er zijn veel toepassingen voor het modelleren van grenslaagwindtunnels. Inzicht in de invloed van wind op hoogbouw, fabrieken, bruggen, enz. kan ontwerpers van gebouwen bijvoorbeeld helpen een constructie te construeren die zo efficiënt mogelijk bestand is tegen windeffecten. Een andere belangrijke toepassing van grenslaag windtunnel modellering is het verkrijgen van inzicht in uitlaatgasverspreidingspatronen voor ziekenhuizen, laboratoria en andere emitterende bronnen. Andere voorbeelden van grenslaagwindtunneltoepassingen zijn de beoordeling van het comfort van voetgangers en sneeuwverstuivingen. Windtunnelmodellering wordt aanvaard als een methode om te helpen bij het ontwerpen van groene gebouwen. Zo kan het gebruik van grenslaag-windtunnelmodellen worden gebruikt als een krediet voor Leadership in Energy and Environmental Design (LEED)-certificering door de U.S. Green Building Council.
Windtunneltests in een grenslaagwindtunnel maken het mogelijk om de natuurlijke weerstand van het aardoppervlak te simuleren. Voor de nauwkeurigheid is het van belang het gemiddelde windsnelheidsprofiel en de turbulentie-effecten binnen de atmosferische grenslaag te simuleren. De meeste codes en normen erkennen dat windtunneltesten betrouwbare informatie kunnen opleveren voor ontwerpers, vooral wanneer hun projecten zich in complex terrein of op onbeschutte locaties bevinden.
In de Verenigde Staten zijn de laatste 20 jaar veel windtunnels buiten gebruik gesteld, waaronder enkele historische faciliteiten. Resterende windtunnels staan onder druk door afnemend of onregelmatig gebruik, hoge elektriciteitskosten, en in sommige gevallen de hoge waarde van het onroerend goed waarop de faciliteit staat. Anderzijds zijn voor CFD-validatie nog steeds windtunnelgegevens nodig, en dit zal in de nabije toekomst waarschijnlijk zo blijven. Er zijn studies verricht en andere aan de gang om de toekomstige behoeften aan militaire en commerciële windtunnels te beoordelen, maar de uitkomst daarvan blijft onzeker. Meer recentelijk heeft een toenemend gebruik van door straalmotoren aangedreven, van instrumenten voorziene onbemande voertuigen een aantal van de traditionele toepassingen van windtunnels vervangen. De snelste windtunnel ter wereld vanaf 2019 is de LENS-X windtunnel, gelegen in Buffalo, New York.