تونل باد

تاريخچه تونل باد
قبل از اختراع تونل باد برادران رايت، مطالعات و آزمايشات آيروديناميکی دستگاه بازوی چرخنده انجام می‌شد. اين دستگاه اولين بار در سال ۱۸۰۰ ميلادی توسط سر جرج کيلی توسعه پيدا کرد.

برادران رايت با همکاری اکتاو چانت در سال ۱۹۰۱ برای مطالعه تاثيرات جريان هوا روی اشکال مختلف اقدام به طراحی و ساخت تونل باد ساده‌ای نمودند. اين تونل باد ساده اخيرا نيز برای تست پرنده مدرن و کم سرعت آلباتروس ، مورد استفاده قرار گرفته است.

پس از آن با توسعه علم آيروديناميک و پايه گذاری رشته مهندسی هوايی، استفاده از تونل باد نيز افزايش يافت.
تونلهای باد معمولا از لحاظ حجم و سرعت جريان دارای محدوديت بودند. تونل بادی که قبل از جنگ جهانی دوم توسط آلمانيها مورد استفاده قرار گرفت، شامل حفره‌های طبيعی بزرگی بود که محتوی حجم زيادی از هوا بود که می‌توانست در مسير تونل باد جريان يابد. اين ابتکار باعث افزايش سرعت پيشرفت آلمانيها در صنايع هوايی گرديد.

در تحقيقات بعدی در زمينه جريان با سرعت نزديک صوت يا مافوق صوت از اين تکنولوژی استفاده شد. محفظه‌های فلزی فشار برای ذخيره‌سازی هوای پرفشار مورد استفاده قرار گرفتند. اين هوا پس از عبور از نازل به سرعت مافوق صوت می‌رسيد.
اگر چه طرح کلی يک تونل باد پيچيده است، ولی اکثر تونلهای باد از پنج قسمت اصلی تشکيل شده‌اند. اين پنج قسمت در شکل زير نشان داده شده‌اند.

هنگاميکه هوا وارد محفظه تصفيه يعنی اولين بخش تونل می‌شود، اغتشاشات جريان هوا کاهش می‌يابد. وجود اغتشاش و هوای ناپايدار می‌تواند باعث توليد نيروهای غيرقابل پيش‌بينی در بخش تست شده و توانايی تونل را در شبيه‌سازی شرايط پروازی کاهش دهد. بيشتر محفظه‌ها شامل پرده‌های شبکه‌بندی سيمی و يک صاف‌کننده لانه زنبوری جريان هستند که مانع از چرخش جريان در درون تونل باد شده و جريان ملايمی را درون تونل بوجود می‌آورند. بعد از اين مرحله هوا وارد مخروط انقباضی يا نازل می شود. سرعت هوا در حين عبور از اين بخش افزايش می‌يابد و سپس وارد بخش تست می‌شود. اين بخش معمولا مستطيل شکل است ولی در برخی از تونلهای باد به صورت جت باز خواهد بود. مدل يا نمونه آزمايش درون اين بخش قرار گرفته و حسگرها تاثير نيروهای ليفت و درگ را روی مدل اندازه‌گيری کند.
قسمت بعد شامل يک ديفيوزر است که سرعت هوا را کاهش می‌دهد . بخش نهايی هوا را از تونل خارج می‌کند. نيروی لازم برای مکش هوا از طريق فنهای بزرگی که پهنای آنها به ۴۰ فوت نيز می‌رسد، تامين می‌شود.
کاربردهای تونل باد
بعضی از عملياتهايی که بصورت معمول در تونلهای باد انجام می‌شود شامل موارد زير است:
– اندازه‌گيری درگ/ليفت روی هواپيما، هليکوپتر، موشک و ماشينهای مسابقه‌ای.
– مشخصات مربوط به ممان/ليفت/درگ ايرفويلها و بالها.
– پايداری استاتيکی هواپيماها و موشکها.
– پايداری ديناميکی مشتقات هراپيما.
– توزيع فشار سطحی روی تمامی سيستمها.
– مشاهده جريان (با دود، پودر سيليکات منيزيم و يا روغن.
– عملکرد ملخ (گشتاور، تراست، توان، بازده و …
– عملکرد موتورهای تنفسی.
– تاثيرات باد روی ساختمانها، دکلها، پلها و اتومبيلها.
– ويژگيهای انتقال حرارت موتور و هواپيما.
البته تعدادی از اين عمليات در تونلهای آب نيز قابل بررسی هستند.

طبقه بندی انواع تونل باد
تونلهای باد براساس ساختمان به دو دسته مدار بسته يا مدار باز تقسيم می‌شوند. در سيکل باز ورودی و خروجی تونل به هم متصل شده‌اند. اين سيستم از نظر اقتصادی چندان مقرون به صرفه نيست بنابراين بيشتر تونلهای باد امروزه از نوع سيکل بسته هستند. در اين نوع ، هوای استفاده شده پس از عبور از پره‌های مخصوصی دوباره مورد استفاده قرار می‌گيرد و بدين ترتيب افت انرژی و اغتشاش به حداقل مقدار خود می‌رسد.

انواع ديگر طبقه بندی نيز وجود دارد که شامل موارد زير است:
بر حسب سرعت (مادون صوت، انتقالی، مافوق صوت و يا ماورا صوت). براساس فشار هوا ( اتمسفريک يا با چگالی متغير) ، بر اساس اندازه (معمولی يا با مقياس کامل). تعدادی تونل باد نيز وجود دارد که در گروه مشخصی قرار نمی‌گيرند. از انجمله تونلهای شاک، تونل جت پلاسما، تونل hot-shot و تونل metereologic را می توان نام برد.

تجهيزات اوليه در تونل باد
سيسنتمهای اندازه گيری فشار که فشار را به سيگنالهای الکتريکي با فرکانسهای مناسب برای ترانسديوسرها و استرين‌گيج‌ها تبديل مي کنند. اندازه‌گيری دما، گراديان دما و انتقال حرارت با ترموکوپل ترمستور و حسگرهای مقاوم انجام مي‌شود. سطوح اغتشاشي نيز با سيستمهاي ليزری (LDA,Laser Doppler Anemometry)، سيمهای داغ، بادسنجهای دمايي و سيستمهای رديابي (PIV,Particle Image Velocimmetry) اندازه‌گيری می‌شوند.

تحليل جهت جريان (خطوط جريان) با سيستمهای بسيار ساده که شامل قرار دادن دسته‌های پرزدار روی سطح مدل است انجام مي شود. از روغن و رنگ برای اغتشاش وخطوط جريان روی سطح ، از دود برای مشاهده ميدان جريان و از روش Schlieren photography نيز برای مشاهده امواج شاک استفاده می‌شود. روشهای ديگر شامل تکنيکهای shadowgraph و اينترفرومترهای نوری می‌شود. برای سرعتهای بالاتر از روشهای جذبی استفاده می شود.

آشکار سازی جريان روی بال

مشکل تداخل در تونل باد
تداخل در بخشهای مختلف تونل باد بدليل انسداد مسير جريان بوسيله مدل يا انعکاس امواج از ديواره در سرعتهای معادل يا مافوق صوت، بوجود می‌آيد. انسداد که در تونلهای باد با سايز محدود در هنگام تست مدلهای بزرگ اتفاق می‌افتد، به صورت نسبت مساحت جلو مدل به مساحت قسمت تست تعريف می‌شود. نسبت انسداد بايد هميشه از ۱۰ درصد کمتر باشد.
از آنجائيکه وجود مدل در قسمت تست مانع عبور جريان شده و باعث افزايش فشار روی ديواره‌های تونل می‌شود بنابراين گاهی از تونلهای باد با مقطع باز يا تونلهايی با ديواره‌های منفذدار استفاده می‌شود.

انعکاس شاک در تونل باد مافوق صوت
دوره پروازهای مافوق صوت
تونل‌های باد مافوق صوت و مادون صوت چه تفاوتهايی با هم دارند؟
در اواخر دهه ۱۹۴۰ شکستن ديوار صوتی مهمترين مسئله برای هواپيماهايی بود که می‌خواستند سريعتر و سريعتر پرواز کننداز طرفی در اين دهه قيمت توليد هواپيماها نيز به سرعت افزايش يافت در نتيجه طراحان در صدد برآمدند تا بصورت رياضی مدلسازی کرده و بدون ساختن خود هواپيما عملکرد آنرا شبيه‌سازی کنند. بنابراين هر دو مسئله باعث احساس نياز بيشتری برای طراحی تونلهای باد پيچيده می‌شد.

در يک تونل باد با قدرت هر چه تمامتر و فنهای قويتر، جريان هوا در نازکترين بخش قسمت تست شاک شده و به ماخ ۱ که همان سرعت صوت است، می‌رسد. هر اندازه که فنها سريعتر کار می‌کردند باز هم سرعت جريان هوا در اين بخش همان ماخ ۱ باقی می‌ماند. مسئله مشابهی از اين شاک در قسمت نازک موتورهای راکت نيز نيز اتفاق می‌افتد. با اين وجود گازهای داغ خروجی از موتور راکت دارای سرعت مافوق صوت خواهند بود. بنابراين در تونلهای باد مافوق صوت نيز از نازل

انبساطی مشابهی برای رسيدن به سرعت مافوق صوت استفاده می‌شود. ظاهرا بر خلاف واقع مدل نمونه در تونل باد در قسمت پايين دست جريان در گلوگاه يعنی جايی که شاک اتفاق می‌افتد، قرار می‌گيرد. در اين قسمت از نازل مساحت سطح مقطع تونل افزايش می‌يابد ولی سرعت هوا کاهش نمی‌يابد بلکه تمامی انرژی پمپ شده بوسيله فنها که به صورت فشار و انرژی گرمايی ذخيره شده به انرژی جنبشی تبديل می‌شود. موتور راکت نيز تقريبا همينطور کار می کند فقط انرژی آن بجای فن از طريق سوختن سوخت بدست می‌آيد. جريان هوا هنگاميکه از کوچکترين سطح مقطع عبور می‌کند به سرعت مافوق صوت می‌رسد.

توسعه مهمی که در اين دوره روی تونلهای باد انجام گرفت ايجاد شکافها يا سوراخهايی روی ديواره تونل بود. يکی از مشکلاتی که درون تونلهای باد وجود دارد اينست که جريان هوايی برخوردی از روی مدل میتواند به ديواره تونل آسيب برساند. جريان به سمت مدل برگشته و باعث بروز خطا در اندازه‌گيری‌های آزمايش می‌شود ری رايت محققی در لنگلی پيشنهاد کرد که با گذاشتن سوراخهايی روی ديواره تونل باد جريان هواي آرامی در اطراف مدل ايجاد کنيم.

خواص تونل باد برای شش رژيم سرعتی
نازل يا بخش انبساطی قسمت تست مافوق صوت برای هر مقدار ماخ مافوق صوتی دارای شکل منحصر به فردی است. بطور مثال نسبت قسمت تست به مساحت گلوگاه برای ماخ ۲ برابر با ۱٫۶۹ و برای ماخ ۱۰ برابر با ۵۳۶ می‌باشد. بنابراين برای اينکه يک تونل باد مافوق صوت بتواند برد وسيعی از ماخهای مافوق صوت را شامل شود بايد شکل نازل در اين تونل متغير باشد. اين مسئله بوسيله نازلهای قابل تعويض و يا نازلهای دارای ديواره متغير و … حل شدنی است. يک طرح برای طراحی چنين نازلهايی در هنگام عملکرد تونل باد اينست که اساسا يک ديواره نازل ثابت نگه داشته شده در حاليکه ديواره روبرويی آن بصورت محوری لغزيده و حرکت می‌کند و باعث تغيير سطح مقطع نازل می‌شود. بنابراين مسئله قابل تغيير بودن شکل نازل اولين تمايز از سه تفاوت بين تونلهای بااد مافوق صوت و مادون صوت است.
دومين تفاوت بين اين دو نوع تونل مقدار انرژی از دست رفته هوای گردش يافته است. در تونلهای باد مافوق صوت فنها تنها نياز دارند که فشار هوا را تا ۱۰ درصد افزايش دهند تا انرژی از دست رفته توسط ديواره تونل، مدل، تجهيزات و … را جبران کند. در يک تونل باد ماخ ۲ فشار بايد تقريبا ۱۰۰ درصد افزايش يابد. بنابراين يک فن ساده تونل باد مادون صوت بايد به کمپرسور چند مرحله‌ای از فنها تبديل شود. واضح است که برای توليد نيروی به اين بزرگی توان بيشتری نيز نياز است. علت افت انرژی زياد در تونل باد مافوق صوت اساسا امواج شاک است که بلافاصله در جريان بعد از قسمت تست ايجاد می‌شود. جاييکه سرعت جريان اصلی از مافوق صوت‌به مادون کاهش می‌يابد. افت انرژی از طريق امواج شاک ذاتا در همه جريانهای مافوق صوت‌ وجود دارد بنابراين در تونل باد مافوق صوت فنهای الکتريکی يا کمپرسورها بايد اين انرژی را تامين کنند.

تونل باد مافوق صوت متغير نامتقارن
سومين و آخرين تفاوت مهم ميان تونل‌های باد مافوق و مادون صوت مربوط به خود جريان هواست. تونل باد نه تنها بايد کاملا تميز شده و فاقد بخار، روغن، گرد و غبار و هر شی خارجی باشد بلکه بايد از چگالش يا ميعان بخار آب موجود در هوا نيز اجتناب نمود. هنگاميکه جريان هوای تونل در نازل انبساط می‌يابد، گرمای نهان در هوا به انرژی جنبشی تبديل شده و دمای هوا افت می‌کند و احتمال ميعان بخار آب وجود دارد اما با خشک کردن هوا می‌توان از اين امر جلوگيری کرد.

ازآنجايي که توان لازم برای به کار انداختن تونلهای باد مافوق صوت بسيار زياد و در حدود بيش از ۵۰ مگاوات در هر متر مربع از قسمت آزمايش است بنابراين بيشتر تونلها بطور متناوب از انرژی ذخيره شده در تانکرهای فشار بالا يا تانکرهای خلا استفاده می کنند.

تونل باد مافوق صوت
سطح قسمت تست تونلهای مافوق صوت در داقع شبيه به سطح آيينه است . به اين دليل که حدافل خراش يا نقصی در سطح تونل جريان هوای داخل تونل را بر هم زده و باعث کاهش دقت آزمايش می‌شود. وجود ناخواسنه برهم زننده و مغشوش کننده جريان در شکل زير نشان داده شده است. فقط تعداد کمی ترک يا خراش باعث توليد cries-cross خطوط ماخ فطری خواهد شد. هر خط ماخ يک موج شاک کوچ است که در محل وجود نقص بوجود می‌آيد و بسته به سرعت هوای درون

تونل زاويه خاصی پيدا می‌کند مثلا در ماخ ۱ خطوط ماخ عمود بر جريا است. بطور کلی اين زاويه در ماخ برابر arcsin 1/M خواهد بود. برای نشان دادن چگونگی توليد خطوط ماخ توسط ذره‌های کوچک روی ديواره تونل، ذرات ريزی روی نوار Scotch با ضخامت ۰٫۰۰۳ اينچ برروی ديواره تونل قرار می‌گيرند و باعث توليد خطوط ماخ می‌شوند. بخشی از نوار درون لايه مرزی مادون صوت قرار می‌گيرد که ضخامت آن ۰٫۳ اينچ يعنی ۱۰۰ برابر ضخامت نوار است ولی در هر صورت تاثير ذرات کوچک از ميان لايه مرزی حس می‌شود.

به هر حال وجود خطوط ماخ درون تستهای تونل باد ناخوشايند است و بخش تست هر تونل مافوق صوتی بايد به اندازه کافی صيقلی باشد .

ذرات کوچک روی ديواره يک تونل باد مافوق صوت باعث توليد خطوط ماخ شده‌اند.
a)در ماخ ۲ اين خطوط با محور تونل زاويه ۳۰ درجه می‌سازند. b ) خطوط ماخ توليدی که بخشی از آن در لايه مرزی مادون صوت قرار گرفته است.

افزايش و بهبود عملکرد تونلهای باد مافوق صوت
در حال حاضر فرآيند جديدی برای شکل هندسی نازل که برای کنترل عدد ماخ در قسمت تست ضروريست، بکار برده می‌شوود. تعيين و حدس شکل نازل در يک ماخ مافوق صوت احتياج به زحمت زيادی دارد با سيستمهای جديد پيش‌بينی شکل نازل برای ماخهای بين ۱٫۴ تا ۴٫۳ آسانتر خواهد بود. قبل از سال ۱۹۹۱ HSWT مکانيزم کنترل شکل نازل شامل يک سيستم پيچيده cam بود. ايجاد شکل دلخواه برای نازل بسته به پيچيدگی سيستم فرآيند بسيار وقتگيری بوده که دارای دقت کافی نيز نيست. سيستم cam بوسيله يک جک هيدروليکی و سيستم فيدبک encoder جايگزين شد. روش پيشگويی شکل نازل شامل برونيابی مختصه‌ها از مجموع مختصه‌های ماخ بجا مانده از سيستم موجود می‌باشد. علاوه بر اين هيچ روشی برای ست کردن نازلها بصورت متقارن و مشحص کردن ويژگی فيدبک جک هيدروليکی نسبت به هندسه واقعی نازل در تونل وجود ندارد.بنابراين توسعه روش پيشگويی شکل نازلهای قابل تغيير که فادر به پيشگويی و بکارگذاری دقيق شکل نازلهاست، از اهميت بالايی برخوردار است.
بدليل پيچيدگی اين امر پروژه به چهار بخش تقسيم شده است:
– توسعه يک کد برنامه نويسی دو بعدی که بتواند به صورت تئوری شکل نازل را برای دستيابی به ماخ مشخص در قسمت تست پيش‌بينی کند.
– طرح يک سيستم سنجش نقشه نازل برای مشخص کردن سيستم کنترل شکل نازل کنونی (NCMS) و بکار گذاری اين نازل تئوری روی سيستم.
– چک کردن مجموعه جديد اشکال و تصحيح شکل برای تاثيرات لايه مرزی از طريق روشهای اصلاح با سعی و خطا.
– در نهايت تمامی مراحل بالا با استفاده از مجموعه بزرگی از اطلاعات که در طول کاليبره شدن جمع‌آوری شدند، شکل نهايی نازل را مشخص خواهند کرد.

کاهش اغتشاش در تونل باد
در اين قسمت نگاهی اجمالی در مورد تاثير اغتشاش در تونلهای باد و طراحی مناسب آن برای داشتن اغتشاشهای کم يا زياد، خواهيم داشت. آزمايشهاي انجام شده در تونلهای باد نشان‌دهنده تاثير پارامترهای مختلف در اندازه توربولانس می‌باشد.
تغييرات مناسب در اندازه، شکل و ضخامت ديواره‌‌های سلولهای لانه زنبوری دارای تاثيرات کمی هستند. اضافه کردن يک صحه لانه زنبوری ديگر هم تاثير چندانی در کاهش ميزان اغتشاش نخواهد داشت. اما با افزايش فاصله صفحه لانه زنبوری و بخش اندازه‌گيری و همچنين کاهش زياد مساحت در مخروط ورودی مقدار اغتشاش کاهش خواهد يافت.

درک تاثير اغتشاش در تونل باد بدين ترتيب شروع شد که در سال ۱۹۱۱ ايفل مقاومت هوا را روی يک کره در تونل بادی که جديدا ساخته بود، اندازه گرفت و مقدار ضريب پسا را ۰٫۱۸ بدست آورد. يک سال بعد فوپل بيان کرد که مقدار ضريب درگ ايفل کاملا نادرست بوده و ضريب درست برابر ۰٫۴۴ يعنی حدود سه برابر ضريب ايفل است. اما ايفل با انجام آزمايشهای ديگر روی کره با ابعاد مختلف و در تونل بادهای ديگر ، در صدد نشان دادن صحت ادعای خود برآمد.

اولين سرنخ برای توجيح اين تفاوت توسط ويلزبرگر ارائه شد. نتايجی که ويلزبرگر با ايجاد اغتشاش در جلو کره به آن رسيده بود، مشابه نتايج ايفل بود. وی اينکار را از طريق قرار دادن صفحه مش‌بندی شده در مقابل جريان هوا در جلو کره يا با قرار دادن يک رينگ سيمی روی سطح کره روی صفحه‌ای عمود بر جهت باد، انجام داد. پس از انجام آزمايشات بسيار نتيجه نهايی اينگونه بود که ضريب درگ کره در هوا تنها به قطر کره بستگی ندارد بلکه به سرعت، چگالی، لزجت و همچنين شدت توربولانس جريان هوا نيز وابسته است.

جسم ديگری که نتايج بدست آمده روی آن در تونل باد های مختل بسيار متفاوت بود، اجسام خط جريانی بودند. مقدار ضريب درگ بدست آمده در آزمايشگاه بين‌المللی فيزيک دارای مقدار کمتری نسبت به نتايج تونل باد yard دريايی واشنگتن بود.
در سال ۱۹۲۳ آزمايشگاه بين‌المللی فيزيک شروع به انجام يکسری آزمايش مقايسه‌ای روی دو مدل ارشيپ در تعداد زيادی از تونلهای باد دنيا انجام داد. نتايج بدست آمده از تونلهای باد ايالت متحده دارای ۵۰ درصد اختلاف نسبت به نتيجه ميانگين بود. علت اين اختلافها وجود تفاوت در ميزان توربولانس تونلهای باد مختلف بود.

اين دو مثال نشاندهنده تاثير اغتشاش در تونل باد بود ولی کشف تاثيرات خود اغتشاش کمی فديميتر است :
اسبرن رينولدز در مطالعات خود روی جريان درون لوله‌ها، مشاهدات اوليه خود را بدين ترتيب به ثبت رسانيد : برای اعداد رينولدز پائين، جريان درون لوله آرام بوده که مطابق با قوانين هيدروديناميک برای جريانهای دائمی يک مايع لزج است. در رينولدزهای بالا جريان چرخيده و علاوه بر حرکت مولکولهای تکی، مومنتم نيز از لايه‌ای به لايه‌ای ديگر درون سيال منتقل می‌شود در آزمايشات معينی انتقال جريان از يک رژيم به رژيم ديگر صرفنظر از سرعت، قطر لوله، لزجت و چگالی مايع در مقادير مشخصی از اعداد رينولدز اتفاق می‌افتد. هنگاميکه جريان ورودی دارای اغتشاش باشد مقدار عدد رينولدز بحرانی به بزرگی اغتشاش بستگی خواهد داشت. توربولانس جريان ورودی ممکن است بوسيله اشيايی که نزديک ورودی لوله قرار می‌گيرند، صفحات لانه زنبوری در لوله و يا شکل ورودی خود لوله توليد شود.