OriginiEdit
Inginerul militar și matematicianul englez Benjamin Robins (1707-1751) a inventat un aparat cu braț rotitor pentru a determina rezistența la înaintare și a făcut unele dintre primele experimente din teoria aviației.
Sir George Cayley (1773-1857) a folosit, de asemenea, un braț rotitor pentru a măsura rezistența la înaintare și portanța diferitelor profile aerodinamice. Brațul său rotitor avea o lungime de 1,5 m (5 picioare) și atingea viteze maxime cuprinse între 3 și 6 m/s (10 și 20 picioare pe secundă).
Otto Lilienthal a folosit un braț rotativ pentru a măsura cu precizie profilurile de aripă cu unghiuri de atac diferite, stabilind diagramele polare ale raportului portanță/tracțiune ale acestora, dar îi lipseau noțiunile de rezistență indusă și numere Reynolds.
Cu toate acestea, brațul învârtitor nu produce un flux fiabil de aer care să lovească forma de încercare la o incidență normală. Forțele centrifuge și faptul că obiectul se deplasează în urma sa înseamnă că examinarea detaliată a fluxului de aer este dificilă. Francis Herbert Wenham (1824-1908), membru al Consiliului Societății Aeronautice a Marii Britanii, a abordat aceste probleme prin inventarea, proiectarea și exploatarea primului tunel aerodinamic închis în 1871. Odată realizată această descoperire, datele tehnice detaliate au fost extrase rapid prin utilizarea acestui instrument. Lui Wenham și colegului său John Browning li se atribuie multe descoperiri fundamentale, inclusiv măsurarea rapoartelor l/d și dezvăluirea efectelor benefice ale unui raport de aspect ridicat.
Konstantin Tsiolkovsky a construit un tunel aerodinamic cu secțiune deschisă cu o suflantă centrifugă în 1897 și a determinat coeficienții de rezistență la înaintare ai plăcilor plate, cilindrilor și sferelor.
Inventatorul danez Poul la Cour a aplicat tuneluri aerodinamice în procesul său de dezvoltare și perfecționare a tehnologiei turbinelor eoliene la începutul anilor 1890.
Carl Rickard Nyberg a folosit un tunel aerodinamic atunci când a proiectat Flugan-ul său din 1897 și ulterior.
Într-un set clasic de experimente, englezul Osborne Reynolds (1842-1912) de la Universitatea din Manchester a demonstrat că modelul de curgere a aerului deasupra unui model la scară va fi același pentru vehiculul la scară reală dacă un anumit parametru de curgere este același în ambele cazuri. Acest factor, cunoscut în prezent sub numele de numărul Reynolds, este un parametru de bază în descrierea tuturor situațiilor de curgere a fluidelor, inclusiv a formelor de curgere, a ușurinței transferului de căldură și a apariției turbulențelor. Acesta reprezintă justificarea științifică centrală pentru utilizarea modelelor în tunelurile de vânt pentru simularea fenomenelor din viața reală. Cu toate acestea, există limitări cu privire la condițiile în care similitudinea dinamică se bazează doar pe numărul Reynolds.
Utilizarea de către frații Wright a unui tunel aerodinamic simplu în 1901 pentru a studia efectele fluxului de aer peste diferite forme în timp ce își dezvoltau avionul Wright Flyer a fost, într-un fel, revoluționară. Cu toate acestea, se poate observa din cele de mai sus că ei foloseau pur și simplu tehnologia acceptată la acea vreme, deși aceasta nu era încă o tehnologie obișnuită în America.
În Franța, Gustave Eiffel (1832-1923) a construit primul său tunel aerodinamic cu întoarcere deschisă în 1909, alimentat de un motor electric de 50 kW, la Champs-de-Mars, aproape de poalele turnului care îi poartă numele.
Între 1909 și 1912, Eiffel a efectuat aproximativ 4.000 de teste în tunelul său aerodinamic, iar experimentele sale sistematice au stabilit noi standarde pentru cercetarea aeronautică. în 1912, laboratorul lui Eiffel a fost mutat la Auteuil, o suburbie a Parisului, unde tunelul său aerodinamic cu o secțiune de testare de doi metri este încă operațional și astăzi. Eiffel a îmbunătățit semnificativ eficiența tunelului aerodinamic cu retur deschis prin închiderea secțiunii de testare într-o cameră, prin proiectarea unei intrări evazate cu un dispozitiv de îndreptare a fluxului în formă de fagure de miere și prin adăugarea unui difuzor între secțiunea de testare și ventilatorul situat la capătul din aval al difuzorului; acesta a fost un aranjament urmat de o serie de tuneluri aerodinamice construite ulterior; de fapt, tunelul aerodinamic cu retur deschis și viteză redusă este adesea numit tunel aerodinamic de tip Eiffel.
Utilizare pe scară largăEdit
Utilizarea ulterioară a tunelurilor aerodinamice a proliferat pe măsură ce știința aerodinamicii și disciplina ingineriei aeronautice au fost stabilite, iar călătoriile aeriene și energia electrică au fost dezvoltate.
În 1916, marina americană a construit unul dintre cele mai mari tuneluri aerodinamice din lume la acea vreme, la Washington Navy Yard. Intrarea avea un diametru de aproape 3,4 m (11 picioare), iar partea de evacuare avea un diametru de 2,1 m (7 picioare). Un motor electric de 500 CP acționa paletele ventilatorului de tip palete.
În 1931, NACA a construit un tunel aerodinamic la scară naturală de 30 de picioare pe 60 de picioare la Langley Research Center din Langley, Virginia. Tunelul era alimentat de o pereche de ventilatoare acționate de motoare electrice de 4.000 CP. Configurația era de tip buclă închisă, cu dublu retur, și putea găzdui multe aeronave reale de dimensiuni reale, precum și modele la scară. Tunelul a fost în cele din urmă închis și, chiar dacă a fost declarat monument istoric național în 1995, demolarea a început în 2010.
Până la cel de-al Doilea Război Mondial, cel mai mare tunel aerodinamic din lume, construit în 1932-1934, era situat într-o suburbie a Parisului, Chalais-Meudon, Franța. A fost proiectat pentru a testa avioane de dimensiuni normale și avea șase ventilatoare mari acționate de motoare electrice de mare putere. Tunelul aerodinamic de la Chalais-Meudon a fost utilizat de ONERA sub numele S1Ch până în 1976 pentru dezvoltarea, de exemplu, a avioanelor Caravelle și Concorde. Astăzi, acest tunel aerodinamic este conservat ca monument național.
Ludwig Prandtl a fost profesorul lui Theodore von Kármán la Universitatea din Göttingen și a sugerat construirea unui tunel aerodinamic pentru testele dirijabilelor pe care le proiectau:44 În tunel a fost testată strada vortex a turbulenței în aval de un cilindru.:63 Mai târziu, când s-a mutat la Universitatea din Aachen, și-a amintit de utilizarea acestei instalații:
Mi-am amintit că tunelul aerodinamic din Göttingen a fost inițiat ca un instrument pentru studii privind comportamentul Zeppelinului, dar că s-a dovedit a fi valoros pentru orice altceva, de la determinarea direcției fumului din coșul de fum al unei nave, până la întrebarea dacă un anumit avion va zbura. Progresul la Aachen, am simțit că ar fi practic imposibil fără un tunel de vânt bun. „76
Când von Kármán a început să se consulte cu Caltech, a lucrat cu Clark Millikan și Arthur L. Klein.:124 El s-a opus proiectului lor și a insistat asupra unui flux de întoarcere care să facă dispozitivul „independent de fluctuațiile atmosferei exterioare”. Acesta a fost finalizat în 1930 și a fost folosit pentru testele Northrop Alpha.:169
În 1939, generalul Arnold a întrebat ce este necesar pentru a avansa USAF, iar von Kármán a răspuns: „Primul pas este să construim tunelul de vânt potrivit.”:226 Pe de altă parte, după succesele înregistrate de Bell X-2 și perspectiva unor cercetări mai avansate, el a scris: „Am fost în favoarea construirii unui astfel de avion, deoarece nu am crezut niciodată că poți obține toate răspunsurile dintr-un tunel aerodinamic.”:302-03
Al Doilea Război MondialEdit
În 1941, SUA au construit unul dintre cele mai mari tuneluri aerodinamice de la acea vreme la Wright Field din Dayton, Ohio. Acest tunel de vânt începe de la 45 de picioare (14 m) și se îngustează până la 20 de picioare (6,1 m) în diametru. Două ventilatoare de 40 de picioare (12 m) erau acționate de un motor electric de 40.000 CP. Modelele de aeronave la scară mare puteau fi testate la viteze ale aerului de 400 mph (640 km/h).
Tunelul aerodinamic folosit de oamenii de știință germani la Peenemünde înainte și în timpul celui de-al Doilea Război Mondial este un exemplu interesant al dificultăților asociate cu extinderea domeniului de utilizare a tunelurilor aerodinamice mari. Acesta a folosit câteva peșteri naturale mari, a căror dimensiune a fost mărită prin excavare și apoi sigilată pentru a stoca volume mari de aer care puteau fi apoi dirijate prin tunelurile aerodinamice. Această abordare inovatoare a permis cercetări de laborator în regimuri de mare viteză și a accelerat foarte mult ritmul de progres al eforturilor de inginerie aeronautică ale Germaniei. Până la sfârșitul războiului, Germania avea cel puțin trei tuneluri aerodinamice supersonice diferite, unul dintre ele fiind capabil de fluxuri de aer de Mach 4,4 (încălzit).
Un mare tunel aerodinamic aflat în construcție lângă Oetztal, Austria, ar fi avut două ventilatoare acționate direct de două turbine hidraulice de 50.000 de cai putere. Instalația nu a fost finalizată până la sfârșitul războiului, iar echipamentul dezmembrat a fost expediat la Modane, Franța, în 1946, unde a fost remontat și este încă exploatat acolo de către ONERA. Cu o secțiune de testare de 8 m și o viteză aeriană de până la Mach 1, este cea mai mare instalație de tunel aerodinamic transonic din lume.
La 22 iunie 1942, Curtiss-Wright a finanțat construcția unuia dintre cele mai mari tuneluri aerodinamice subsonice ale națiunii în Buffalo, N.Y. Primul beton pentru clădire a fost turnat la 22 iunie 1942, pe un amplasament care în cele din urmă va deveni Calspan, unde încă funcționează cel mai mare tunel aerodinamic deținut independent din Statele Unite.
Până la sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, SUA au construit opt noi tuneluri aerodinamice, inclusiv cel mai mare tunel aerodinamic din lume de la Moffett Field, lângă Sunnyvale, California, care a fost proiectat pentru a testa avioane de dimensiuni normale la viteze mai mici de 250 mph și un tunel aerodinamic vertical la Wright Field, Ohio, unde curentul de vânt este ascendent pentru testarea modelelor în situații de rotație și a conceptelor și proiectelor tehnice pentru primele elicoptere primitive pilotate în SUA.
După cel de-al Doilea Război MondialEdit
Redă media
Cercetarea ulterioară a fluxurilor de aer în apropierea sau peste viteza sunetului a folosit o abordare asemănătoare. Au fost folosite camere de presiune metalice pentru a stoca aer de înaltă presiune care a fost apoi accelerat printr-o duză proiectată pentru a asigura un flux supersonic. Camera de observare sau de instrumentație („secțiunea de testare”) a fost apoi plasată în locația potrivită în gât sau duză pentru viteza aerului dorită.
În Statele Unite, îngrijorarea cu privire la întârzierea instalațiilor de cercetare americane în comparație cu cele construite de germani a dus la Unitary Wind Tunnel Plan Act din 1949, care a autorizat cheltuielile pentru construirea de noi tuneluri aerodinamice în universități și în locații militare. Unele tuneluri aerodinamice germane din timpul războiului au fost demontate pentru a fi trimise în Statele Unite, ca parte a planului de exploatare a dezvoltărilor tehnologice germane.
Pentru aplicații limitate, dinamica fluidelor computațională (CFD) poate completa sau eventual înlocui utilizarea tunelurilor aerodinamice. De exemplu, avionul-rachetă experimental SpaceShipOne a fost proiectat fără utilizarea tunelurilor de vânt. Cu toate acestea, la un test, firele de zbor au fost atașate la suprafața aripilor, efectuând un test de tip tunel de vânt în timpul unui zbor real pentru a rafina modelul computațional. În cazul în care este prezent un flux turbulent extern, CFD nu este practic din cauza limitărilor resurselor de calcul actuale. De exemplu, un domeniu care este încă mult prea complex pentru utilizarea CFD este determinarea efectelor curgerii pe și în jurul structurilor, podurilor, terenului etc.
Cel mai eficient mod de a simula curgerea turbulentă externă este prin utilizarea unui tunel aerodinamic cu strat limită.
Există multe aplicații pentru modelarea în tunelul aerodinamic cu strat limită. De exemplu, înțelegerea impactului vântului asupra clădirilor înalte, fabricilor, podurilor etc. poate ajuta proiectanții de clădiri să construiască o structură care să reziste la efectele vântului în cel mai eficient mod posibil. O altă aplicație semnificativă pentru modelarea tunelurilor aerodinamice cu strat limită este înțelegerea modelelor de dispersie a gazelor de eșapament pentru spitale, laboratoare și alte surse de emisie. Alte exemple de aplicații ale tunelurilor aerodinamice cu strat limită sunt evaluările confortului pietonal și ale alunecării zăpezii. Modelarea în tuneluri aerodinamice este acceptată ca o metodă pentru a ajuta la proiectarea clădirilor ecologice. De exemplu, utilizarea modelării tunelurilor aerodinamice cu strat limită poate fi utilizată ca un credit pentru certificarea Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) prin intermediul Consiliului pentru clădiri ecologice din SUA.
Testările în tunelul de vânt cu strat limită permit simularea rezistenței naturale a suprafeței Pământului. Pentru acuratețe, este important să se simuleze profilul vitezei medii a vântului și efectele turbulenței în cadrul stratului limită atmosferic. Majoritatea codurilor și standardelor recunosc faptul că testele în tuneluri aerodinamice pot produce informații fiabile pentru proiectanți, în special atunci când proiectele lor se află pe terenuri complexe sau pe amplasamente expuse.
În Statele Unite, multe tuneluri aerodinamice au fost scoase din uz în ultimii 20 de ani, inclusiv unele instalații istorice. Presiunea este exercitată asupra tunelurilor aerodinamice rămase din cauza utilizării în scădere sau neregulate, a costurilor ridicate ale energiei electrice și, în unele cazuri, a valorii ridicate a proprietății imobiliare pe care se află instalația. Pe de altă parte, validarea CFD necesită în continuare date din tuneluri aerodinamice și este probabil ca acest lucru să rămână valabil și în viitorul previzibil. S-au realizat studii și altele sunt în curs de desfășurare pentru a evalua viitoarele nevoi militare și comerciale în materie de tuneluri aerodinamice, dar rezultatul rămâne incert. Mai recent, utilizarea din ce în ce mai frecventă a vehiculelor fără pilot cu motor cu reacție și cu instrumente a înlocuit unele dintre utilizările tradiționale ale tunelurilor aerodinamice. Cel mai rapid tunel de vânt din lume din 2019 este tunelul de vânt LENS-X, situat în Buffalo, New York.
.