PochodzenieEdit
Angielski inżynier wojskowy i matematyk Benjamin Robins (1707-1751) wynalazł aparat z ramieniem wirującym do określenia oporu i przeprowadził jedne z pierwszych eksperymentów w teorii lotnictwa.
Sir George Cayley (1773-1857) również użył ramienia wirującego do pomiaru oporu i siły nośnej różnych profili aerodynamicznych. Jego wirujące ramię miało 1,5 m długości i osiągało prędkości pomiędzy 3 a 6 m/s.
Otto Lilienthal używał wirującego ramienia do dokładnych pomiarów profili skrzydeł o różnych kątach natarcia, ustalając ich stosunek siły nośnej do oporu na wykresach biegunowych, ale brakowało mu pojęć oporu indukowanego i liczby Reynoldsa.
Jednakże, wirujące ramię nie wytwarza niezawodnego strumienia powietrza uderzającego w badany kształt przy normalnym nachyleniu. Siły odśrodkowe i fakt, że obiekt porusza się w swoim własnym śladzie oznaczają, że szczegółowe badanie przepływu powietrza jest trudne. Francis Herbert Wenham (1824-1908), członek Rady Brytyjskiego Towarzystwa Aeronautycznego (Aeronautical Society of Great Britain), zajął się tymi zagadnieniami wynajdując, projektując i eksploatując pierwszy zamknięty tunel aerodynamiczny w 1871 roku. Po osiągnięciu tego przełomu, dzięki zastosowaniu tego narzędzia można było szybko uzyskać szczegółowe dane techniczne. Wenhamowi i jego współpracownikowi Johnowi Browningowi przypisuje się wiele fundamentalnych odkryć, w tym pomiar współczynników l/d oraz odkrycie korzystnego wpływu wysokiego współczynnika kształtu.
Konstantin Tsiolkovsky zbudował tunel aerodynamiczny o otwartym przekroju z dmuchawą odśrodkową w 1897 roku i określił współczynniki oporu powietrza dla płaskich płyt, cylindrów i kul.
Duński wynalazca Poul la Cour zastosował tunele aerodynamiczne w procesie rozwoju i udoskonalania technologii turbin wiatrowych na początku lat 90-tych XIX w. Carl Rickard Nyberg używał tunelu aerodynamicznego podczas projektowania swojego Flugana w 1897 r. i później.
W klasycznym zestawie eksperymentów Anglik Osborne Reynolds (1842-1912) z Uniwersytetu w Manchesterze wykazał, że wzór przepływu powietrza nad modelem w skali będzie taki sam dla pojazdu w pełnej skali, jeśli pewien parametr przepływu będzie taki sam w obu przypadkach. Współczynnik ten, znany obecnie jako liczba Reynoldsa, jest podstawowym parametrem w opisie wszystkich sytuacji związanych z przepływem płynów, w tym kształtów wzorów przepływu, łatwości wymiany ciepła i powstawania turbulencji. Stanowi to główne naukowe uzasadnienie stosowania modeli w tunelach aerodynamicznych do symulowania rzeczywistych zjawisk. Istnieją jednak ograniczenia dotyczące warunków, w których podobieństwo dynamiczne opiera się wyłącznie na liczbie Reynoldsa.
Wykorzystanie przez braci Wright prostego tunelu aerodynamicznego w 1901 roku do badania efektów przepływu powietrza nad różnymi kształtami podczas opracowywania ich samolotu Wright Flyer było pod pewnymi względami rewolucyjne. Z powyższego wynika jednak, że po prostu korzystali oni z ówczesnej technologii, choć nie była ona jeszcze powszechna w Ameryce.
We Francji Gustave Eiffel (1832-1923) zbudował swój pierwszy tunel aerodynamiczny o otwartym powrocie w 1909 roku, napędzany silnikiem elektrycznym o mocy 50 kW, na Champs-de-Mars, niedaleko podnóża wieży, która nosi jego imię.
W latach 1909-1912 Eiffel przeprowadził około 4000 testów w swoim tunelu aerodynamicznym, a jego systematyczne eksperymenty wyznaczyły nowe standardy badań aeronautycznych. W 1912 roku laboratorium Eiffla zostało przeniesione do Auteuil, na przedmieścia Paryża, gdzie jego tunel aerodynamiczny z dwumetrową sekcją testową działa do dziś. Eiffel znacznie poprawił wydajność tunelu wiatrowego z otwartym powrotem, zamykając sekcję testową w komorze, projektując spłaszczony wlot z prostownikiem przepływu o strukturze plastra miodu i dodając dyfuzor pomiędzy sekcją testową a wentylatorem umieszczonym na końcu dyfuzora; był to układ stosowany w wielu później zbudowanych tunelach wiatrowych; w rzeczywistości tunel wiatrowy z otwartym powrotem o niskiej prędkości jest często nazywany tunelem wiatrowym typu Eiffla.
Powszechne zastosowanieEdit
Następne zastosowanie tuneli aerodynamicznych rozprzestrzeniało się wraz z powstaniem nauki aerodynamiki i dyscypliny inżynierii lotniczej oraz rozwojem podróży lotniczych i energetyki.
Marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych w 1916 roku zbudowała jeden z największych tuneli aerodynamicznych na świecie w tym czasie w Washington Navy Yard. Wlot miał prawie 11 stóp (3,4 m) średnicy, a część wylotowa miała 7 stóp (2,1 m) średnicy. Silnik elektryczny o mocy 500 KM napędzał łopatki wentylatora typu łopatkowego.
W 1931 roku NACA zbudowała pełnowymiarowy tunel aerodynamiczny o wymiarach 30 stóp na 60 stóp w Langley Research Center w Langley, Virginia. Tunel był napędzany przez parę wentylatorów napędzanych silnikami elektrycznymi o mocy 4,000 KM. Tunel był zamknięty, z podwójnym powrotem i mógł pomieścić wiele prawdziwych samolotów i modeli. Tunel został ostatecznie zamknięty i mimo, że został uznany za National Historic Landmark w 1995 roku, rozbiórka rozpoczęła się w 2010 roku.
Do II wojny światowej największy na świecie tunel aerodynamiczny, zbudowany w latach 1932-1934, znajdował się na przedmieściach Paryża, w Chalais-Meudon we Francji. Został on zaprojektowany do testowania pełnowymiarowych samolotów i posiadał sześć dużych wentylatorów napędzanych silnikami elektrycznymi o dużej mocy. Tunel aerodynamiczny w Chalais-Meudon był wykorzystywany przez ONERA pod nazwą S1Ch do 1976 r. w pracach rozwojowych m.in. nad samolotami Caravelle i Concorde. Dziś ten tunel aerodynamiczny jest zachowany jako zabytek narodowy.
Ludwig Prandtl był nauczycielem Theodora von Kármána na Uniwersytecie w Getyndze i zasugerował budowę tunelu aerodynamicznego do testów projektowanych przez nich sterowców.:44 W tunelu badano wirową ulicę turbulencji w dole cylindra.Kiedy później przeniósł się na Uniwersytet w Akwizgranie, wspominał korzystanie z tego obiektu:
Pamiętałem, że tunel aerodynamiczny w Getyndze został zapoczątkowany jako narzędzie do badań nad zachowaniem Zeppelinów, ale okazało się, że jest cenny dla wszystkiego innego, od określania kierunku dymu z komina statku, do tego, czy dany samolot poleci. Postęp w Aachen, jak czułem, byłby praktycznie niemożliwy bez dobrego tunelu aerodynamicznego.:76
Kiedy von Kármán zaczął konsultować się z Caltech, pracował z Clarkiem Millikanem i Arthurem L. Kleinem.:124 Sprzeciwił się ich projektowi i nalegał na przepływ zwrotny, czyniąc urządzenie „niezależnym od wahań zewnętrznej atmosfery”. Został ukończony w 1930 roku i użyty do testów Northrop Alpha.:169
W 1939 roku generał Arnold zapytał, co jest potrzebne do rozwoju USAF, a von Kármán odpowiedział: „Pierwszym krokiem jest zbudowanie odpowiedniego tunelu aerodynamicznego.”:226 Z drugiej strony, po sukcesach Bell X-2 i perspektywie bardziej zaawansowanych badań, napisał „Byłem za skonstruowaniem takiego samolotu, ponieważ nigdy nie wierzyłem, że można uzyskać wszystkie odpowiedzi z tunelu aerodynamicznego.”:302-03
II wojna światowaEdit
W 1941 roku USA zbudowało jeden z największych tuneli aerodynamicznych w tym czasie na Wright Field w Dayton, Ohio. Tunel ten zaczyna się na wysokości 45 stóp (14 m) i zwęża się do 20 stóp (6,1 m) średnicy. Dwa wentylatory o średnicy 12 m (40 stóp) były napędzane silnikiem elektrycznym o mocy 40 000 KM. Duże modele samolotów mogły być testowane przy prędkościach powietrza rzędu 400 mph (640 km/h).
Tunel aerodynamiczny używany przez niemieckich naukowców w Peenemünde przed i w czasie II wojny światowej jest interesującym przykładem trudności związanych z rozszerzeniem użytecznego zasięgu dużych tuneli aerodynamicznych. Wykorzystywał on niektóre duże naturalne jaskinie, które zostały powiększone poprzez wykopanie, a następnie uszczelnione w celu przechowania dużych ilości powietrza, które następnie mogło być poprowadzone przez tunele aerodynamiczne. To innowacyjne podejście umożliwiło badania laboratoryjne w warunkach dużych prędkości i znacznie przyspieszyło tempo rozwoju niemieckiej inżynierii lotniczej. Do końca wojny Niemcy posiadali co najmniej trzy różne naddźwiękowe tunele aerodynamiczne, w tym jeden zdolny do wytwarzania strumienia powietrza o prędkości 4,4 Macha (podgrzanego).
Duży tunel aerodynamiczny budowany w pobliżu Oetztal w Austrii miał mieć dwa wentylatory napędzane bezpośrednio przez dwie turbiny hydrauliczne o mocy 50 000 koni mechanicznych. Instalacja nie została ukończona do końca wojny, a zdemontowany sprzęt został przewieziony do Modane we Francji w 1946 roku, gdzie został ponownie wzniesiony i jest nadal eksploatowany przez ONERA. Dzięki 8-metrowej sekcji testowej i prędkości powietrza do 1 Macha jest to największy tunel aerodynamiczny na świecie.
22 czerwca 1942 r. firma Curtiss-Wright sfinansowała budowę jednego z największych poddźwiękowych tuneli aerodynamicznych w Buffalo, N.Y. Pierwszy beton pod budynek został wylany 22 czerwca 1942 r. na miejscu, które w końcu stało się Calspan, gdzie nadal działa największy niezależny tunel aerodynamiczny w Stanach Zjednoczonych.
Do końca II wojny światowej Stany Zjednoczone zbudowały osiem nowych tuneli aerodynamicznych, w tym największy na świecie w Moffett Field koło Sunnyvale w Kalifornii, który został zaprojektowany do testowania pełnowymiarowych samolotów przy prędkościach poniżej 250 mph, oraz pionowy tunel aerodynamiczny w Wright Field w Ohio, w którym strumień wiatru jest skierowany w górę i służy do testowania modeli w sytuacjach wirowych oraz koncepcji i projektów inżynieryjnych pierwszych prymitywnych helikopterów latających w USA.
Po II wojnie światowejEdit
Play media
Późniejsze badania przepływów powietrza w pobliżu lub powyżej prędkości dźwięku wykorzystywały pokrewne podejście. Metalowe komory ciśnieniowe były używane do przechowywania powietrza pod wysokim ciśnieniem, które następnie było przyspieszane przez dyszę zaprojektowaną tak, aby zapewnić przepływ naddźwiękowy. Komora obserwacyjna lub oprzyrządowania („sekcja testowa”) była następnie umieszczana w odpowiednim miejscu w gardzieli lub dyszy dla pożądanej prędkości powietrza.
W Stanach Zjednoczonych, zaniepokojenie opóźnieniem amerykańskich obiektów badawczych w stosunku do tych zbudowanych przez Niemców doprowadziło do powstania Unitary Wind Tunnel Plan Act z 1949 roku, który upoważnił do wydatków na budowę nowych tuneli aerodynamicznych na uniwersytetach i w obiektach wojskowych. Niektóre niemieckie tunele aerodynamiczne z czasów wojny zostały zdemontowane i wysłane do Stanów Zjednoczonych w ramach planu wykorzystania niemieckich osiągnięć technologicznych.
W przypadku ograniczonych zastosowań, obliczeniowa dynamika płynów (CFD) może uzupełnić lub ewentualnie zastąpić wykorzystanie tuneli aerodynamicznych. Na przykład, eksperymentalny samolot rakietowy SpaceShipOne został zaprojektowany bez użycia tuneli aerodynamicznych. Jednakże, podczas jednego z testów, do powierzchni skrzydeł przymocowano nici lotnicze, wykonując test typu tunelu aerodynamicznego podczas rzeczywistego lotu w celu dopracowania modelu obliczeniowego. Tam, gdzie występuje zewnętrzny przepływ turbulentny, CFD nie jest praktyczne ze względu na ograniczenia współczesnych zasobów obliczeniowych. Na przykład, obszarem, który jest wciąż zbyt złożony dla zastosowania CFD jest określanie efektów przepływu na i wokół konstrukcji, mostów, terenu, itp.
Najbardziej efektywnym sposobem symulacji zewnętrznego przepływu turbulentnego jest użycie tunelu z warstwą graniczną wiatru.
Istnieje wiele zastosowań modelowania w tunelu z warstwą graniczną wiatru. Na przykład, zrozumienie wpływu wiatru na budynki wysokościowe, fabryki, mosty, itp. może pomóc projektantom budynków skonstruować strukturę, która będzie w stanie sprostać efektom wiatru w najbardziej efektywny sposób. Innym ważnym zastosowaniem modelowania w tunelu aerodynamicznym z warstwą graniczną jest zrozumienie wzorów dyspersji spalin w szpitalach, laboratoriach i innych źródłach emisji. Innym przykładem zastosowania tunelu aerodynamicznego jest ocena komfortu pieszych i znoszenia śniegu. Modelowanie w tunelu aerodynamicznym jest uznawane za metodę wspomagającą projektowanie budynków ekologicznych. Na przykład, wykorzystanie modelowania tunelu warstwy granicznej wiatru może być użyte jako punkt do certyfikacji Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) przez U.S. Green Building Council.
Testy w tunelu aerodynamicznym w warstwie granicznej pozwalają na symulację naturalnego oporu powierzchni Ziemi. Dla zapewnienia dokładności, ważne jest symulowanie profilu średniej prędkości wiatru i efektów turbulencji w atmosferycznej warstwie granicznej. Większość kodeksów i norm uznaje, że badania w tunelu aerodynamicznym mogą dostarczyć wiarygodnych informacji projektantom, szczególnie gdy ich projekty są realizowane w skomplikowanym terenie lub w miejscach eksponowanych.
W Stanach Zjednoczonych wiele tuneli aerodynamicznych zostało wycofanych z eksploatacji w ciągu ostatnich 20 lat, w tym niektóre obiekty historyczne. Presja wywierana jest na pozostałe tunele aerodynamiczne ze względu na malejące lub nieregularne wykorzystanie, wysokie koszty energii elektrycznej, a w niektórych przypadkach wysoką wartość nieruchomości, na której znajduje się obiekt. Z drugiej strony, walidacja CFD nadal wymaga danych z tuneli aerodynamicznych i prawdopodobnie tak będzie w dającej się przewidzieć przyszłości. Przeprowadzono badania, a inne są w trakcie realizacji, mające na celu ocenę przyszłych wojskowych i komercyjnych potrzeb w zakresie tuneli aerodynamicznych, ale ich wynik pozostaje niepewny. Ostatnio coraz częstsze stosowanie napędzanych odrzutowcami, oprzyrządowanych pojazdów bezzałogowych zastąpiło niektóre z tradycyjnych zastosowań tuneli aerodynamicznych. Najszybszym na świecie tunelem aerodynamicznym w 2019 roku jest tunel LENS-X, znajdujący się w Buffalo, w stanie Nowy Jork.
.