تحقیق مقاله تونل باد

تونل باد

تاریخچه تونل باد

قبل از اختراع تونل باد برادران رایت، مطالعات و آزمایشات آیرودینامیکی دستگاه بازوی چرخنده انجام می‌شد. این دستگاه اولین بار در سال 1800 میلادی توسط سر جرج کیلی توسعه پیدا کرد.

برادران رایت با همکاری اکتاو چانت در سال 1901 برای مطالعه تاثیرات جریان هوا روی اشکال مختلف اقدام به طراحی و ساخت تونل باد ساده‌ای نمودند. این تونل باد ساده اخیرا نیز برای تست پرنده مدرن و کم سرعت آلباتروس ، مورد استفاده قرار گرفته است.

پس از آن با توسعه علم آیرودینامیک و پایه گذاری رشته مهندسی هوایی، استفاده از تونل باد نیز افزایش یافت.

تونلهای باد معمولا از لحاظ حجم و سرعت جریان دارای محدودیت بودند. تونل بادی که قبل از جنگ جهانی دوم توسط آلمانیها مورد استفاده قرار گرفت، شامل حفره‌های طبیعی بزرگی بود که محتوی حجم زیادی از هوا بود که می‌توانست در مسیر تونل باد جریان یابد. این ابتکار باعث افزایش سرعت پیشرفت آلمانیها در صنایع هوایی گردید.

در تحقیقات بعدی در زمینه جریان با سرعت نزدیک صوت یا مافوق صوت از این تکنولوژی استفاده شد. محفظه‌های فلزی فشار برای ذخیره‌سازی هوای پرفشار مورد استفاده قرار گرفتند. این هوا پس از عبور از نازل به سرعت مافوق صوت می‌رسید.

اگر چه طرح کلی یک تونل باد پیچیده است، ولی اکثر تونلهای باد از پنج قسمت اصلی تشکیل شده‌اند. این پنج قسمت در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

هنگامیکه هوا وارد محفظه تصفیه یعنی اولین بخش تونل می‌شود، اغتشاشات جریان هوا کاهش می‌یابد. وجود اغتشاش و هوای ناپایدار می‌تواند باعث تولید نیروهای غیرقابل پیش‌بینی در بخش تست شده و توانایی تونل را در شبیه‌سازی شرایط پروازی کاهش دهد. بیشتر محفظه‌ها شامل پرده‌های شبکه‌بندی سیمی و یک صاف‌کننده لانه زنبوری جریان هستند که مانع از چرخش جریان در درون تونل باد شده و جریان ملایمی را درون تونل بوجود می‌آورند. بعد از این مرحله هوا وارد مخروط انقباضی یا نازل می شود. سرعت هوا در حین عبور از این بخش افزایش می‌یابد و سپس وارد بخش تست می‌شود. این بخش معمولا مستطیل شکل است ولی در برخی از تونلهای باد به صورت جت باز خواهد بود. مدل یا نمونه آزمایش درون این بخش قرار گرفته و حسگرها تاثیر نیروهای لیفت و درگ را روی مدل اندازه‌گیری کند.

قسمت بعد شامل یک دیفیوزر است که سرعت هوا را کاهش می‌دهد . بخش نهایی هوا را از تونل خارج می‌کند. نیروی لازم برای مکش هوا از طریق فنهای بزرگی که پهنای آنها به 40 فوت نیز می‌رسد، تامین می‌شود.

کاربردهای تونل باد

بعضی از عملیاتهایی که بصورت معمول در تونلهای باد انجام می‌شود شامل موارد زیر است:

- اندازه‌گیری درگ/لیفت روی هواپیما، هلیکوپتر، موشک و ماشینهای مسابقه‌ای.

- مشخصات مربوط به ممان/لیفت/درگ ایرفویلها و بالها.

- پایداری استاتیکی هواپیماها و موشکها.

- پایداری دینامیکی مشتقات هراپیما.

- توزیع فشار سطحی روی تمامی سیستمها.

- مشاهده جریان (با دود، پودر سیلیکات منیزیم و یا روغن.

- عملکرد ملخ (گشتاور، تراست، توان، بازده و ...

- عملکرد موتورهای تنفسی.

- تاثیرات باد روی ساختمانها، دکلها، پلها و اتومبیلها.

- ویژگیهای انتقال حرارت موتور و هواپیما.

البته تعدادی از این عملیات در تونلهای آب نیز قابل بررسی هستند.

طبقه بندی انواع تونل باد

تونلهای باد براساس ساختمان به دو دسته مدار بسته یا مدار باز تقسیم می‌شوند. در سیکل باز ورودی و خروجی تونل به هم متصل شده‌اند. این سیستم از نظر اقتصادی چندان مقرون به صرفه نیست بنابراین بیشتر تونلهای باد امروزه از نوع سیکل بسته هستند. در این نوع ، هوای استفاده شده پس از عبور از پره‌های مخصوصی دوباره مورد استفاده قرار می‌گیرد و بدین ترتیب افت انرژی و اغتشاش به حداقل مقدار خود می‌رسد.

انواع دیگر طبقه بندی نیز وجود دارد که شامل موارد زیر است:

بر حسب سرعت (مادون صوت، انتقالی، مافوق صوت و یا ماورا صوت). براساس فشار هوا ( اتمسفریک یا با چگالی متغیر) ، بر اساس اندازه (معمولی یا با مقیاس کامل). تعدادی تونل باد نیز وجود دارد که در گروه مشخصی قرار نمی‌گیرند. از انجمله تونلهای شاک، تونل جت پلاسما، تونل hot-shot و تونل metereologic را می توان نام برد.

تجهیزات اولیه در تونل باد

سیسنتمهای اندازه گیری فشار که فشار را به سیگنالهای الکتریکی با فرکانسهای مناسب برای ترانسدیوسرها و استرین‌گیج‌ها تبدیل می کنند. اندازه‌گیری دما، گرادیان دما و انتقال حرارت با ترموکوپل ترمستور و حسگرهای مقاوم انجام می‌شود. سطوح اغتشاشی نیز با سیستمهای لیزری (LDA,Laser Doppler Anemometry)، سیمهای داغ، بادسنجهای دمایی و سیستمهای ردیابی (PIV,Particle Image Velocimmetry) اندازه‌گیری می‌شوند.

تحلیل جهت جریان (خطوط جریان) با سیستمهای بسیار ساده که شامل قرار دادن دسته‌های پرزدار روی سطح مدل است انجام می شود. از روغن و رنگ برای اغتشاش وخطوط جریان روی سطح ، از دود برای مشاهده میدان جریان و از روش Schlieren photography نیز برای مشاهده امواج شاک استفاده می‌شود. روشهای دیگر شامل تکنیکهای shadowgraph و اینترفرومترهای نوری می‌شود. برای سرعتهای بالاتر از روشهای جذبی استفاده می شود.

 آشکار سازی جریان روی بال

مشکل تداخل در تونل باد

تداخل در بخشهای مختلف تونل باد بدلیل انسداد مسیر جریان بوسیله مدل یا انعکاس امواج از دیواره در سرعتهای معادل یا مافوق صوت، بوجود می‌آید. انسداد که در تونلهای باد با سایز محدود در هنگام تست مدلهای بزرگ اتفاق می‌افتد، به صورت نسبت مساحت جلو مدل به مساحت قسمت تست تعریف می‌شود. نسبت انسداد باید همیشه از 10 درصد کمتر باشد.

از آنجائیکه وجود مدل در قسمت تست مانع عبور جریان شده و باعث افزایش فشار روی دیواره‌های تونل می‌شود بنابراین گاهی از تونلهای باد با مقطع باز یا تونلهایی با دیواره‌های منفذدار استفاده می‌شود.

انعکاس شاک در تونل باد مافوق صوت

دوره پروازهای مافوق صوت

تونل‌های باد مافوق صوت و مادون صوت چه تفاوتهایی با هم دارند؟

در اواخر دهه 1940 شکستن دیوار صوتی مهمترین مسئله برای هواپیماهایی بود که می‌خواستند سریعتر و سریعتر پرواز کننداز طرفی در این دهه قیمت تولید هواپیماها نیز به سرعت افزایش یافت در نتیجه طراحان در صدد برآمدند تا بصورت ریاضی مدلسازی کرده و بدون ساختن خود هواپیما عملکرد آنرا شبیه‌سازی کنند. بنابراین هر دو مسئله باعث احساس نیاز بیشتری برای طراحی تونلهای باد پیچیده می‌شد.

در یک تونل باد با قدرت هر چه تمامتر و فنهای قویتر، جریان هوا در نازکترین بخش قسمت تست شاک شده و به ماخ 1 که همان سرعت صوت است، می‌رسد. هر اندازه که فنها سریعتر کار می‌کردند باز هم سرعت

جریان هوا در این بخش همان ماخ 1 باقی می‌ماند. مسئله مشابهی از این شاک در قسمت نازک موتورهای راکت نیز نیز اتفاق می‌افتد. با این وجود گازهای داغ خروجی از موتور راکت دارای سرعت مافوق صوت خواهند بود. بنابراین در تونلهای باد مافوق صوت نیز از نازل انبساطی مشابهی برای رسیدن به سرعت مافوق صوت استفاده می‌شود. ظاهرا بر خلاف واقع مدل نمونه در تونل باد در قسمت پایین دست جریان در گلوگاه یعنی جایی که شاک اتفاق می‌افتد، قرار می‌گیرد. در این قسمت از نازل مساحت سطح مقطع تونل افزایش می‌یابد ولی سرعت هوا کاهش نمی‌یابد بلکه تمامی انرژی پمپ شده بوسیله فنها که به صورت فشار و انرژی گرمایی ذخیره شده به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. موتور راکت نیز تقریبا همینطور کار می کند فقط انرژی آن بجای فن از طریق سوختن سوخت بدست می‌آید. جریان هوا هنگامیکه از کوچکترین سطح مقطع عبور می‌کند به سرعت مافوق صوت می‌رسد.

توسعه مهمی که در این دوره روی تونلهای باد انجام گرفت ایجاد شکافها یا سوراخهایی روی دیواره تونل بود. یکی از مشکلاتی که درون تونلهای باد وجود دارد اینست که جریان هوایی برخوردی از روی مدل میتواند به دیواره تونل آسیب برساند. جریان به سمت مدل برگشته و باعث بروز خطا در اندازه‌گیری‌های آزمایش می‌شود ری رایت محققی در لنگلی پیشنهاد کرد که با گذاشتن سوراخهایی روی دیواره تونل باد جریان هوای آرامی در اطراف مدل ایجاد کنیم.

خواص تونل باد برای شش رژیم سرعتی

نازل یا 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 2 برابر با 1.69 و برای ماخ 10 برابر با 536 می‌باشد. بنابراین برای اینکه یک تونل باد مافوق صوت بتواند برد وسیعی از ماخهای مافوق صوت را شامل شود باید شکل نازل در این تونل متغیر باشد. این مسئله بوسیله نازلهای قابل تعویض و یا نازلهای دارای دیواره متغیر و ... حل شدنی است. یک طرح برای طراحی چنین نازلهایی در هنگام عملکرد تونل باد اینست که اساسا یک دیواره نازل ثابت نگه داشته شده در حالیکه دیواره روبرویی آن بصورت محوری لغزیده و حرکت می‌کند و باعث تغییر سطح مقطع نازل می‌شود. بنابراین مسئله قابل تغییر بودن شکل نازل اولین تمایز از سه تفاوت بین تونلهای بااد مافوق صوت و مادون صوت است.

دومین تفاوت بین این دو نوع تونل مقدار انرژی از دست رفته هوای گردش یافته است. در تونلهای باد مافوق صوت فنها تنها نیاز دارند که فشار هوا را تا 10 درصد افزایش دهند تا انرژی از دست رفته توسط دیواره تونل، مدل، تجهیزات و ... را جبران کند. در یک تونل باد ماخ 2 فشار باید تقریبا 100 درصد افزایش یابد. بنابراین یک فن ساده تونل باد مادون صوت باید به کمپرسور چند مرحله‌ای از فنها تبدیل شود. واضح است که برای تولید نیروی به این بزرگی توان بیشتری نیز نیاز است. علت افت انرژی زیاد در تونل باد مافوق صوت اساسا امواج شاک است که بلافاصله در جریان بعد از قسمت تست ایجاد می‌شود. جاییکه سرعت جریان اصلی از مافوق صوت‌به مادون کاهش می‌یابد. افت انرژی از طریق امواج شاک ذاتا در همه جریانهای مافوق صوت‌ وجود دارد بنابراین در تونل باد مافوق صوت فنهای الکتریکی یا کمپرسورها باید این انرژی را تامین کنند.

 تونل باد مافوق صوت متغیر نامتقارن

سومین و آخرین تفاوت مهم میان تونل‌های باد مافوق و مادون صوت مربوط به خود جریان هواست. تونل باد نه تنها باید کاملا تمیز شده و فاقد بخار، روغن، گرد و غبار و هر شی خارجی باشد بلکه باید از چگالش یا میعان بخار آب موجود در هوا نیز اجتناب نمود. هنگامیکه جریان هوای تونل در نازل انبساط می‌یابد، گرمای نهان در هوا به انرژی جنبشی تبدیل شده و دمای هوا افت می‌کند و احتمال میعان بخار آب وجود دارد اما با خشک کردن هوا می‌توان از این امر جلوگیری کرد.

ازآنجایی که توان لازم برای به کار انداختن تونلهای باد مافوق صوت بسیار زیاد و در حدود بیش از 50 مگاوات در هر متر مربع از قسمت آزمایش است بنابراین بیشتر تونلها بطور متناوب از انرژی ذخیره شده در تانکرهای فشار بالا یا تانکرهای خلا استفاده می کنند.

تونل باد مافوق صوت

سطح قسمت تست تونلهای مافوق صوت در داقع شبیه به سطح آیینه است . به این دلیل که حدافل خراش یا نقصی در سطح تونل جریان هوای داخل تونل را بر هم زده و باعث کاهش دقت آزمایش می‌شود. وجود ناخواسنه برهم زننده و مغشوش کننده جریان در شکل زیر نشان داده شده است. فقط تعداد کمی ترک یا خراش باعث تولید cries-cross خطوط ماخ فطری خواهد شد. هر خط ماخ یک موج شاک کوچ است که در محل وجود نقص بوجود می‌آید و بسته به سرعت هوای درون تونل زاویه خاصی پیدا می‌کند مثلا در ماخ 1 خطوط ماخ عمود بر جریا است. بطور کلی این زاویه در ماخ برابر arcsin 1/M خواهد بود. برای نشان دادن چگونگی تولید خطوط ماخ توسط ذره‌های کوچک روی دیواره تونل، ذرات ریزی روی نوار Scotch با ضخامت 0.003 اینچ برروی دیواره تونل قرار می‌گیرند و باعث تولید خطوط ماخ می‌شوند. بخشی از نوار درون لایه مرزی مادون صوت قرار می‌گیرد که ضخامت آن 0.3 اینچ یعنی 100 برابر ضخامت نوار است ولی در هر صورت تاثیر ذرات کوچک از میان لایه مرزی حس می‌شود.

به هر حال وجود خطوط ماخ درون تستهای تونل باد ناخوشایند است و بخش تست هر تونل مافوق صوتی باید به اندازه کافی صیقلی باشد .

ذرات کوچک روی دیواره یک تونل باد مافوق صوت باعث تولید خطوط ماخ شده‌اند.

a)در ماخ 2 این خطوط با محور تونل زاویه 30 درجه می‌سازند. b ) خطوط ماخ تولیدی که بخشی از آن در لایه مرزی مادون صوت قرار گرفته است.

افزایش و بهبود عملکرد تونلهای باد مافوق صوت

در حال حاضر فرآیند جدیدی برای شکل هندسی نازل که برای کنترل عدد ماخ در قسمت تست ضروریست، بکار برده می‌شوود. تعیین و حدس شکل نازل در یک ماخ مافوق صوت احتیاج به زحمت زیادی دارد با سیستمهای جدید پیش‌بینی شکل نازل برای ماخهای بین 1.4 تا 4.3 آسانتر خواهد بود. قبل از سال 1991 HSWT مکانیزم کنترل شکل نازل شامل یک سیستم پیچیده cam بود