UrsprungRedigera
Den engelske militäringenjören och matematikern Benjamin Robins (1707-1751) uppfann en virvelarmsapparat för att bestämma luftmotståndet och utförde några av de första experimenten inom luftfartsteorin.
Sir George Cayley (1773-1857) använde också en virvelarm för att mäta luftmotståndet och lyftet hos olika flygplansprofiler. Hans virvelarm var 1,5 m lång och nådde topphastigheter på mellan 3 och 6 m/s.
Otto Lilienthal använde en roterande arm för att noggrant mäta vingprofiler med varierande angreppsvinklar och upprätta deras lyft- och dragförhållande i polära diagram, men saknade begreppen inducerat motstånd och Reynoldstal.
Hur som helst, den virvlande armen producerar inte ett tillförlitligt luftflöde som träffar testformen vid en normal infallsvinkel. Centrifugalkrafterna och det faktum att föremålet rör sig i sitt eget kölvatten gör att det är svårt att göra en detaljerad undersökning av luftflödet. Francis Herbert Wenham (1824-1908), rådsmedlem i Aeronautical Society of Great Britain, tog itu med dessa problem genom att uppfinna, konstruera och driva den första slutna vindtunneln 1871. När detta genombrott väl var genomfört kunde detaljerade tekniska data snabbt utvinnas med hjälp av detta verktyg. Wenham och hans kollega John Browning har fått erkännande för många grundläggande upptäckter, bland annat mätning av l/d-förhållanden och avslöjandet av de fördelaktiga effekterna av ett högt aspektenhetsförhållande.
Konstantin Tsiolkovsky byggde en vindtunnel med öppet sektion med en centrifugalblåsare 1897 och bestämde motståndskoefficienterna för plana plattor, cylindrar och sfärer.
Den danske uppfinnaren Poul la Cour använde sig av vindtunnlar i sin process för att utveckla och förfina tekniken för vindturbiner i början av 1890-talet.Carl Rickard Nyberg använde sig av en vindtunnel när han konstruerade sin Flugan från 1897 och framåt.
I ett klassiskt experiment visade engelsmannen Osborne Reynolds (1842-1912) vid universitetet i Manchester att luftflödesmönstret över en modell i skalenlig skala skulle vara detsamma som för fordonet i fullskala om en viss flödesparameter var densamma i båda fallen. Denna faktor, som numera är känd som Reynolds tal, är en grundläggande parameter i beskrivningen av alla strömningssituationer, inklusive flödesmönstrens form, värmeöverföringens lätthet och turbulensens uppkomst. Detta utgör den centrala vetenskapliga motiveringen för användningen av modeller i vindtunnlar för att simulera verkliga fenomen. Det finns dock begränsningar för förhållanden där dynamisk likhet baseras enbart på Reynoldstalet.
Bröderna Wrights användning av en enkel vindtunnel 1901 för att studera effekterna av luftflödet över olika former när de utvecklade sin Wright Flyer var på sätt och vis revolutionerande. Det framgår dock av ovanstående att de helt enkelt använde sig av dagens accepterade teknik, även om den ännu inte var vanlig i Amerika.
I Frankrike byggde Gustave Eiffel (1832-1923) 1909 sin första vindtunnel med öppen återvändsgränd, som drevs av en elektrisk motor på 50 kW, vid Champs-de-Mars, nära foten av det torn som bär hans namn.
Mellan 1909 och 1912 genomförde Eiffel omkring 4 000 tester i sin vindtunnel, och hans systematiska experimenterande satte nya standarder för flygteknisk forskning. 1912 flyttades Eiffels laboratorium till Auteuil, en förort till Paris, där hans vindtunnel med en två meter lång testsektion fortfarande är i drift idag. Eiffel förbättrade avsevärt effektiviteten hos den öppna återvändande vindtunneln genom att innesluta testsektionen i en kammare, konstruera ett utvidgat inlopp med en bikakestruktur och lägga till en diffusor mellan testsektionen och fläkten som är placerad nedströms i diffusorns ände.
Utbredd användningEdit
Den efterföljande användningen av vindtunnlar spreds i takt med att vetenskapen om aerodynamik och disciplinen flygteknik etablerades och flygresor och luftkraft utvecklades.
Den amerikanska flottan byggde 1916 en av de största vindtunnlarna i världen på den tiden vid Washington Navy Yard. Inloppet var nästan 11 fot (3,4 m) i diameter och utloppsdelen var 7 fot (2,1 m) i diameter. En elektrisk motor på 500 hk drev fläktbladen av paddeltyp.
1931 byggde NACA en fullskalig vindtunnel på 30 fot gånger 60 fot vid Langley Research Center i Langley, Virginia. Tunneln drevs av ett par fläktar som drevs av elmotorer på 4 000 hk. Layouten var ett format med dubbel retur och sluten slinga och kunde rymma många riktiga flygplan i full storlek samt skalmodeller. Tunneln stängdes så småningom och trots att den förklarades som ett nationellt historiskt landmärke 1995 påbörjades rivningen 2010.
Till andra världskriget fanns världens största vindtunnel, som byggdes 1932-1934, i en förort till Paris, Chalais-Meudon i Frankrike. Den var utformad för att testa fullstora flygplan och hade sex stora fläktar som drevs av starka elmotorer. Vindtunneln i Chalais-Meudon användes av ONERA under namnet S1Ch fram till 1976 vid utvecklingen av bl.a. Caravelle- och Concorde-flygplanen. Idag är denna vindtunnel bevarad som ett nationellt monument.
Ludwig Prandtl var Theodore von Kármáns lärare vid universitetet i Göttingen och föreslog att man skulle bygga en vindtunnel för tester av luftskepp som de höll på att konstruera.
Ludwig Prandtl var Theodore von Kármáns lärare vid universitetet i Göttingen och föreslog att man skulle bygga en vindtunnel för tester av luftskepp som de höll på att konstruera.
Virvelgatan av turbulens nedströms en cylinder testades i tunneln.:63 När han senare flyttade till universitetet i Aachen mindes han användningen av denna anläggning: Jag mindes att vindtunneln i Göttingen startades som ett verktyg för studier av Zeppelins beteende, men att den hade visat sig vara värdefull för allt annat, från att bestämma riktningen på röken från en fartygsskorsten, till om ett visst flygplan skulle flyga. Jag ansåg att framsteg i Aachen skulle vara praktiskt taget omöjliga utan en bra vindtunnel.76
När von Kármán började konsultera Caltech arbetade han med Clark Millikan och Arthur L. Klein.124 Han protesterade mot deras konstruktion och insisterade på ett returflöde som gjorde anordningen ”oberoende av fluktuationerna i den yttre atmosfären”. Den färdigställdes 1930 och användes för testning av Northrop Alpha.:169
1939 frågade general Arnold vad som krävdes för att föra USAF framåt, och von Kármán svarade: ”Det första steget är att bygga rätt vindtunnel.”:226 Å andra sidan skrev han efter framgångarna med Bell X-2 och utsikterna till mer avancerad forskning: ”Jag var för att konstruera ett sådant plan eftersom jag aldrig har trott att man kan få ut alla svar ur en vindtunnel.”:302-03
Andra världskrigetEdit
År 1941 byggde USA en av de största vindtunnlarna vid den tiden på Wright Field i Dayton, Ohio. Denna vindtunnel börjar vid 45 fot (14 m) och smalnar av till 20 fot (6,1 m) i diameter. Två 40 fot (12 m) långa fläktar drevs av en 40 000 hk stark elmotor. Storskaliga flygplansmodeller kunde testas vid lufthastigheter på 640 km/h.
Vindtunneln som användes av tyska forskare i Peenemünde före och under andra världskriget är ett intressant exempel på de svårigheter som är förknippade med att utöka den användbara räckvidden för stora vindtunnlar. Den använde några stora naturliga grottor som ökades i storlek genom utgrävning och sedan förseglades för att lagra stora mängder luft som sedan kunde ledas genom vindtunnlarna. Detta innovativa tillvägagångssätt möjliggjorde laboratorieforskning i höghastighetsförhållanden och påskyndade avsevärt utvecklingen av Tysklands flygtekniska arbete. Vid krigsslutet hade Tyskland minst tre olika supersoniska vindtunnlar, varav en kunde klara Mach 4,4 (uppvärmda) luftströmmar.
En stor vindtunnel som höll på att byggas nära Oetztal i Österrike skulle ha haft två fläktar som drevs direkt av två hydrauliska turbiner på 50 000 hästkrafter. Installationen var inte färdig i slutet av kriget och den nedmonterade utrustningen skickades 1946 till Modane i Frankrike där den återuppbyggdes och fortfarande drivs där av ONERA. Med sin 8 meter långa testsektion och en lufthastighet på upp till Mach 1 är det världens största transsoniska vindtunnelanläggning.
Den 22 juni 1942 finansierade Curtiss-Wright byggandet av en av landets största subsoniska vindtunnlar i Buffalo, New York. Den första betongen för byggnaden gjöts den 22 juni 1942 på en plats som så småningom skulle komma att bli Calspan, där den största oberoende ägda vindtunneln i Förenta staterna fortfarande är i drift.
I slutet av andra världskriget hade USA byggt åtta nya vindtunnlar, inklusive den största i världen vid Moffett Field nära Sunnyvale, Kalifornien, som var utformad för att testa fullstora flygplan vid hastigheter på mindre än 250 mph och en vertikal vindtunnel vid Wright Field, Ohio, där vindströmmen är uppåtriktad för testning av modeller i snurrsituationer och för koncepten och den tekniska utformningen av de första primitiva helikoptrarna som flögs i USA.
Efter andra världskrigetRedigera
Spela upp media
Sidare forskning om luftströmmar nära eller över ljudets hastighet använde sig av en relaterad metod. Tryckkammare av metall användes för att lagra luft med högt tryck som sedan accelererades genom ett munstycke som var utformat för att ge ett överljudsflöde. Observations- eller instrumenteringskammaren (”testsektionen”) placerades sedan på rätt plats i halsen eller munstycket för den önskade lufthastigheten.
I USA ledde oron över att de amerikanska forskningsanläggningarna var eftersatta jämfört med de anläggningar som byggdes av tyskarna till Unitary Wind Tunnel Plan Act från 1949, som godkände utgifter för att bygga nya vindtunnlar vid universitet och vid militära anläggningar. Vissa tyska vindtunnlar från krigstiden demonterades för att skickas till USA som en del av planen för att utnyttja den tyska teknikutvecklingen.
För begränsade tillämpningar kan Computational fluid dynamics (CFD) komplettera eller möjligen ersätta användningen av vindtunnlar. Till exempel konstruerades det experimentella raketplanet SpaceShipOne utan användning av vindtunnlar. Vid ett test fästes dock flygtrådar på vingarnas yta, vilket innebar att man utförde ett test av vindtunneltyp under en verklig flygning för att förfina beräkningsmodellen. När externa turbulenta flöden förekommer är CFD inte praktiskt genomförbart på grund av begränsningar i dagens datorresurser. Ett område som fortfarande är alldeles för komplext för användning av CFD är t.ex. bestämning av effekterna av flödet på och runt strukturer, broar, terräng osv.
Det effektivaste sättet att simulera externa turbulenta flöden är att använda sig av en gränslagervindtunnel.
Det finns många användningsområden för modellering i gränslagervindtunnel. Om man till exempel förstår hur vinden påverkar höghus, fabriker, broar osv. kan man hjälpa byggnadsarkitekter att konstruera en struktur som klarar vindpåverkan på ett så effektivt sätt som möjligt. Ett annat viktigt användningsområde för vindtunnelmodellering med gränsskikt är att förstå spridningsmönster för avgaser från sjukhus, laboratorier och andra utsläppskällor. Andra exempel på tillämpningar av vindtunnlar med gränsskikt är bedömningar av fotgängarnas komfort och snödrivning. Modellering av vindtunnlar är accepterad som en metod för att underlätta utformningen av miljövänliga byggnader. Till exempel kan användningen av vindtunnelmodellering med gränsskikt användas som en poäng för LEED-certifiering (Leadership in Energy and Environmental Design) genom U.S. Green Building Council.
Vindtunnelförsök i en gränsskiktsvindtunnel gör det möjligt att simulera det naturliga luftmotståndet från jordens yta. För noggrannhet är det viktigt att simulera medelvindhastighetsprofilen och turbulenseffekter inom det atmosfäriska gränsskiktet. De flesta koder och standarder erkänner att vindtunnelprovningar kan ge tillförlitlig information till konstruktörer, särskilt när deras projekt ligger i komplex terräng eller på utsatta platser.
I USA har många vindtunnlar tagits ur bruk under de senaste 20 åren, inklusive vissa historiska anläggningar. De kvarvarande vindtunnlarna utsätts för påtryckningar på grund av minskande eller oregelbunden användning, höga elkostnader och i vissa fall det höga värdet på den fastighet som anläggningen ligger på. Å andra sidan krävs det fortfarande data från vindtunnlar för CFD-validering, och detta kommer troligen att vara fallet under överskådlig tid. Studier har gjorts och andra är på gång för att bedöma framtida militära och kommersiella behov av vindtunnlar, men resultatet är fortfarande osäkert. På senare tid har en ökande användning av jetdrivna, instrumenterade obemannade fordon ersatt en del av den traditionella användningen av vindtunnlar. Världens snabbaste vindtunnel 2019 är LENS-X vindtunneln i Buffalo, New York.