PůvodEdit
Anglický vojenský inženýr a matematik Benjamin Robins (1707-1751) vynalezl přístroj s vířivým ramenem k určení odporu vzduchu a provedl některé z prvních experimentů v oblasti letecké teorie.
Sir George Cayley (1773-1857) také použil vířivé rameno k měření odporu a vztlaku různých profilů. Jeho vířivé rameno bylo dlouhé 5 stop (1,5 m) a dosahovalo maximální rychlosti mezi 10 a 20 stopami za sekundu (3 až 6 m/s).
Otto Lilienthal používal rotující rameno k přesnému měření křídel s různými úhly náběhu a stanovil jejich polární diagramy poměru vztlaku a odporu, ale chyběly mu pojmy indukovaný odpor a Reynoldsovo číslo.
Však, vířivé rameno nevytváří spolehlivý proud vzduchu dopadající na zkušební tvar při normálním sklonu. Odstředivé síly a skutečnost, že se objekt pohybuje ve vlastních stopách, znamenají, že podrobné zkoumání proudění vzduchu je obtížné. Francis Herbert Wenham (1824-1908), člen rady Letecké společnosti Velké Británie, tyto problémy řešil vynálezem, konstrukcí a provozem prvního uzavřeného aerodynamického tunelu v roce 1871. Po dosažení tohoto průlomu bylo možné pomocí tohoto nástroje rychle získat podrobné technické údaje. Wenham a jeho kolega John Browning se zasloužili o mnoho zásadních objevů, včetně měření poměru l/d a odhalení příznivých účinků vysokého poměru stran.
Konstantin Ciolkovskij postavil v roce 1897 aerodynamický tunel s otevřeným průřezem a odstředivým dmychadlem a určil součinitele odporu plochých desek, válců a koulí.
Dánský vynálezce Poul la Cour použil větrné tunely při vývoji a zdokonalování technologie větrných turbín na počátku 90. let 19. století. od roku 1897 používal Carl Rickard Nyberg větrný tunel při konstrukci svého letounu Flugan.
Angličan Osborne Reynolds (1842-1912) z Manchesterské univerzity v klasickém souboru experimentů prokázal, že průběh proudění vzduchu nad zmenšeným modelem bude stejný pro vozidlo v plné velikosti, pokud bude určitý parametr proudění v obou případech stejný. Tento faktor, dnes známý jako Reynoldsovo číslo, je základním parametrem při popisu všech situací spojených s prouděním tekutin, včetně tvarů vzorů proudění, snadnosti přenosu tepla a vzniku turbulence. To představuje hlavní vědecké zdůvodnění používání modelů v aerodynamických tunelech pro simulaci reálných jevů. Existují však omezení týkající se podmínek, v nichž je dynamická podobnost založena pouze na Reynoldsově čísle.
Použití jednoduchého větrného tunelu bratry Wrightovými v roce 1901 ke studiu účinků proudění vzduchu nad různými tvary při vývoji jejich letadla Wright Flyer bylo svým způsobem revoluční. Z výše uvedeného je však patrné, že jednoduše použili tehdy uznávanou technologii, ačkoli v Americe ještě nebyla běžná.
Ve Francii postavil Gustave Eiffel (1832-1923) v roce 1909 na Champs-de-Mars, nedaleko úpatí věže, která nese jeho jméno, svůj první aerodynamický tunel s otevřeným návratem, poháněný elektromotorem o výkonu 50 kW.
Mezi lety 1909 a 1912 provedl Eiffel ve svém větrném tunelu přibližně 4 000 testů a jeho systematické experimentování stanovilo nová měřítka leteckého výzkumu. v roce 1912 byla Eiffelova laboratoř přestěhována do Auteuil na předměstí Paříže, kde je jeho větrný tunel s dvoumetrovou zkušební sekcí v provozu dodnes. Eiffel výrazně zlepšil účinnost aerodynamického tunelu s otevřenou zpětnou klapkou tím, že zkušební sekci uzavřel do komory, navrhl rozšířený vstupní otvor s voštinovým usměrňovačem proudění a přidal difuzor mezi zkušební sekci a ventilátor umístěný na konci difuzoru po proudu; toto uspořádání následovala řada později postavených aerodynamických tunelů; ve skutečnosti se aerodynamický tunel s otevřenou zpětnou klapkou a nízkou rychlostí často nazývá aerodynamický tunel Eiffelova typu.
Široké využitíEdit
Následné používání aerodynamických tunelů se rozšířilo s tím, jak se etablovala věda o aerodynamice a obor leteckého inženýrství a rozvíjela se letecká doprava a pohon.
Námořnictvo USA v roce 1916 postavilo ve Washington Navy Yard jeden z největších větrných tunelů na tehdejším světě. Vstupní část měla průměr téměř 11 stop (3,4 m) a výstupní část měla průměr 7 stop (2,1 m). Lopatky ventilátoru lopatkového typu poháněl elektromotor o výkonu 500 koní.
V roce 1931 postavila NACA v Langley Research Center v Langley ve Virginii větrný tunel o rozměrech 30 × 60 stop v plném měřítku. Tunel byl poháněn dvojicí ventilátorů poháněných elektromotory o výkonu 4 000 hp. Uspořádání bylo dvouvratné, s uzavřenou smyčkou a mohlo se do něj vejít mnoho skutečných letadel v plné velikosti i zmenšených modelů. Tunel byl nakonec uzavřen, a přestože byl v roce 1995 prohlášen za národní historickou památku, v roce 2010 začala jeho demolice.
Do druhé světové války se největší větrný tunel na světě, postavený v letech 1932-1934, nacházel na předměstí Paříže, ve francouzském Chalais-Meudon. Byl určen k testování letadel v plné velikosti a měl šest velkých ventilátorů poháněných výkonnými elektromotory. Aerodynamický tunel Chalais-Meudon používala společnost ONERA pod názvem S1Ch až do roku 1976 při vývoji např. letounů Caravelle a Concorde. Dnes je tento větrný tunel zachován jako národní památka.
Ludwig Prandtl byl učitelem Theodora von Kármána na univerzitě v Göttingenu a navrhl stavbu větrného tunelu pro zkoušky vzducholodí, které navrhovali.44 V tunelu byla testována vírová ulice turbulence za válcem.:63 Když později přešel na univerzitu v Cáchách, vzpomínal na využití tohoto zařízení:
Vzpomněl jsem si, že větrný tunel v Göttingenu byl založen jako nástroj pro studium chování Zeppelinů, ale že se ukázalo, že je cenný pro všechno ostatní, od určení směru kouře z lodního komína až po to, zda dané letadlo poletí. Pokrok v Cáchách by byl podle mého názoru bez dobrého aerodynamického tunelu prakticky nemožný. 76
Když von Kármán začal konzultovat s Caltechem, spolupracoval s Clarkem Millikanem a Arthurem L. Kleinem. 124 Proti jejich návrhu měl námitky a trval na zpětném toku, který by zařízení učinil „nezávislým na výkyvech vnější atmosféry“. Bylo dokončeno v roce 1930 a použito pro testování Northrop Alpha:169
V roce 1939 se generál Arnold zeptal, co je třeba udělat pro pokrok USAF, a von Kármán odpověděl: „Prvním krokem je postavit správný aerodynamický tunel.“:226 Na druhou stranu po úspěších Bell X-2 a vyhlídce na pokročilejší výzkum napsal: „Byl jsem pro zkonstruování takového letadla, protože jsem nikdy nevěřil, že všechny odpovědi můžete získat z větrného tunelu.“:302-03
Druhá světová válkaEdit
V roce 1941 postavily USA jeden z největších větrných tunelů té doby na Wright Field v Daytonu ve státě Ohio. Tento větrný tunel začíná ve výšce 45 stop (14 m) a zužuje se na průměr 20 stop (6,1 m). Dva ventilátory o výšce 40 stop (12 m) byly poháněny elektromotorem o výkonu 40 000 koní. Modely velkých letadel mohly být testovány při rychlosti vzduchu 400 mph (640 km/h).
Větrný tunel používaný německými vědci v Peenemünde před druhou světovou válkou a během ní je zajímavým příkladem obtíží spojených s rozšířením užitečného rozsahu velkých větrných tunelů. Využíval několik velkých přírodních jeskyní, které byly zvětšeny vyhloubením a následně utěsněny tak, aby v nich byly uloženy velké objemy vzduchu, který pak mohl být veden větrnými tunely. Tento inovativní přístup umožnil laboratorní výzkum ve vysokorychlostních režimech a výrazně urychlil tempo pokroku německého leteckého inženýrství. Do konce války mělo Německo nejméně tři různé nadzvukové aerodynamické tunely, přičemž jeden z nich byl schopen proudit vzduch o rychlosti Mach 4,4 (ohřátý).
Velký aerodynamický tunel ve výstavbě poblíž rakouského Oetztalu měl mít dva ventilátory přímo poháněné dvěma hydraulickými turbínami o výkonu 50 000 koňských sil. Instalace nebyla do konce války dokončena a demontované zařízení bylo v roce 1946 převezeno do Modane ve Francii, kde bylo znovu postaveno a je tam dodnes provozováno společností ONERA. Se svou 8m zkušební sekcí a rychlostí vzduchu až Mach 1 je největším zařízením transsonického větrného tunelu na světě.
Dne 22. června 1942 společnost Curtiss-Wright financovala výstavbu jednoho z největších podzvukových větrných tunelů v Buffalu ve státě New York. 22. června 1942 byl vylit první beton pro stavbu na místě, které se nakonec stalo sídlem společnosti Calspan, kde dodnes funguje největší nezávisle vlastněný větrný tunel ve Spojených státech.
Do konce druhé světové války postavily Spojené státy osm nových aerodynamických tunelů, včetně největšího na světě na Moffett Field poblíž Sunnyvale v Kalifornii, který byl určen k testování letadel plné velikosti při rychlostech nižších než 250 km/h, a vertikálního aerodynamického tunelu na Wright Field v Ohiu, kde se proud větru zvedá směrem nahoru pro testování modelů v situacích s otáčkami a koncepty a technické návrhy prvních primitivních vrtulníků zalétaných v USA.
Po druhé světové válceEdit
Přehrajte si média
Pozdější výzkum proudění vzduchu v blízkosti rychlosti zvuku nebo nad ní využíval související přístup. Kovové tlakové komory se používaly ke skladování vysokotlakého vzduchu, který byl následně urychlován přes trysku navrženou tak, aby poskytovala nadzvukové proudění. Pozorovací nebo přístrojová komora („testovací sekce“) pak byla umístěna na správné místo v hrdle nebo trysce pro požadovanou rychlost proudění vzduchu.
V USA vedly obavy ze zaostávání amerických výzkumných zařízení ve srovnání se zařízeními vybudovanými Němci k přijetí zákona Unitary Wind Tunnel Plan Act z roku 1949, který schválil výdaje na výstavbu nových větrných tunelů na univerzitách a ve vojenských objektech. Některé německé válečné větrné tunely byly v rámci plánu na využití německého technologického vývoje demontovány a převezeny do Spojených států.
Pro omezené aplikace může výpočetní dynamika tekutin (CFD) doplnit nebo případně nahradit použití větrných tunelů. Například experimentální raketové letadlo SpaceShipOne bylo navrženo bez použití aerodynamických tunelů. Při jednom z testů však byly na povrch křídel připevněny letové nitě, které během skutečného letu provedly test typu větrného tunelu, aby se zpřesnil výpočetní model. Tam, kde je přítomno vnější turbulentní proudění, není CFD praktické vzhledem k omezením současných výpočetních zdrojů. Například oblastí, která je stále příliš složitá pro použití CFD, je určování účinků proudění na konstrukce, mosty, terén atd. a v jejich okolí.
Nejúčinnějším způsobem simulace vnějšího turbulentního proudění je použití větrného tunelu s mezní vrstvou.
Modelování ve větrném tunelu s mezní vrstvou má mnoho aplikací. Například pochopení vlivu větru na výškové budovy, továrny, mosty atd. může pomoci projektantům budov zkonstruovat konstrukci, která odolá účinkům větru co nejefektivněji. Další významnou aplikací modelování v okrajové vrstvě větrného tunelu je pochopení vzorců rozptylu výfukových plynů v nemocnicích, laboratořích a dalších zdrojích emisí. Dalšími příklady použití větrného tunelu s mezní vrstvou jsou posouzení komfortu chodců a sněžení. Modelování ve větrném tunelu je přijímáno jako metoda pro pomoc při navrhování ekologických budov. Použití modelování větrného tunelu v mezní vrstvě lze například využít jako zápočet pro certifikaci LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) v rámci americké Rady pro šetrné budovy.
Zkoušky ve větrném tunelu s mezní vrstvou umožňují simulovat přirozený odpor zemského povrchu. Pro přesnost je důležité simulovat profil střední rychlosti větru a účinky turbulence v mezní vrstvě atmosféry. Většina předpisů a norem uznává, že zkoušky ve větrném tunelu mohou projektantům poskytnout spolehlivé informace, zejména pokud se jejich projekty nacházejí ve složitém terénu nebo na exponovaných místech.
V USA bylo v posledních 20 letech vyřazeno z provozu mnoho větrných tunelů, včetně některých historických zařízení. Na zbývající větrné tunely je vyvíjen tlak z důvodu klesajícího nebo nepravidelného využívání, vysokých nákladů na elektřinu a v některých případech i vysoké hodnoty nemovitostí, na nichž zařízení stojí. Na druhou stranu validace CFD stále vyžaduje údaje z větrných tunelů, a tak tomu bude pravděpodobně i v dohledné budoucnosti. Byly provedeny studie a další probíhají s cílem posoudit budoucí potřeby vojenských a komerčních větrných tunelů, ale výsledek zůstává nejistý. V poslední době nahradilo některé tradiční způsoby využití aerodynamických tunelů stále častější využívání bezpilotních vozidel s proudovým pohonem a přístroji. Nejrychlejším větrným tunelem na světě je od roku 2019 větrný tunel LENS-X, který se nachází v Buffalu ve státě New York
.