v oboru strojírenství, Aerodynamické tunely jsou nepostradatelným nástrojem pro studium chování vzduchu pohybujícího se kolem pevných objektů.. Tyto pečlivě navržené skříně umožňují kontrolovaným způsobem znovu vytvořit skutečné podmínky a poskytují cenné informace pro aerodynamický vývoj a optimalizaci.
Používají se v motorsportu, pro být efektivnější a s lepším výkonem do soutěžních vozidel, ale používají se také pro pouliční automobily a pro mnoho dalších aplikací. Vzhledem k jejich důležitosti zde budeme věnovat článek právě jim…
Co je větrný tunel?
Un aerodynamický tunel se skládá z uzavřeného potrubí, kterým vzduch cirkuluje řízenou rychlostí. Mohou být malé velikosti, nebo také velké, dokonce zabírat celé budovy. Ať je to jakkoli, předmět studia, ať už zmenšený model nebo prototyp v plné velikosti, je umístěn v proudu vzduchu, zatímco senzory a kamery zachycují data o chování vzduchu kolem něj, tedy detaily aerodynamiky. .
Je to přesnější způsob, jak získat informace o odporu nebo aerodynamickém odporu nebo o aerodynamickém zatížení nebo přítlaku, stejně jako o generovaných vírech, laminárním proudění atd. Ve většině případů překračuje věrnost CFD simulace, i když to není náhrada, mohou být perfektními doplňky pro zdokonalení návrhů, při navrhování a testování v CFD to lze ověřit v aerodynamickém tunelu.
Nicméně, stejně jako CFD, Spolehlivost aerodynamického tunelu bude záviset na úrovni simulovaných detailů nebo proměnných. Data mohou být například vylepšena, aby lépe korelovala s realitou, pokud má aerodynamický tunel pohyblivou podlahu pro simulaci asfaltu, pokud pohyb zavěšení a různé výšky, křivky lze simulovat pohybem prototypu, stejně jako pomocí prototypu v měřítku co nejblíže skutečnému nebo skutečnému, pokud je to možné.
Pozitivním aspektem je, že jelikož se jedná o kontrolované podmínky, můžete je vždy generovat stejné podmínky testovat různé díly nebo úpravy ve stejných přesných podmínkách, něco, co nelze udělat v reálných testech na trati, kde budete závislí na rychlosti větru a jeho směru, tlacích v důsledku nadmořské výšky atd.
Mezi aplikacemi aerodynamického tunelu není pouze aerodynamika letadel, automobilů, motocyklů, nákladních automobilů atd., lze jej také použít ke studiu struktur pro architekturu, jako je kontrola proudění větru ve vysokých budovách, ke zlepšení vybavení sportovní vybavení, jako jsou helmy, míče atd., jakož i pro zlepšení chlazení atd.
Části aerodynamického tunelu
Nyní, když víte, co to je, další věc je vědět společné části Co aerodynamické tunely obvykle mají:
- Vstupní sekce: kde vzduch vstupuje do aerodynamického tunelu. Zde je umístěna vstupní mřížka, která zajišťuje rovnoměrné rozložení proudu vzduchu, minimalizuje turbulence a deformace.
- Úseky pro úpravu toku: Zde najdete síťované voštiny, které snižují rychlost vzduchu a eliminují nežádoucí částice, čímž zajišťují čistý a rovnoměrný vzduch. Existují také síta s přímým prouděním, což jsou profily, které vyrovnávají vzduch a eliminují víry a turbulence vznikající ve vstupní části. Dále zde bude usazovací komora, která umožňuje stabilizaci proudu vzduchu a dosažení rovnoměrné distribuce před dosažením předmětu studia.
- Testovací sekce: je srdcem tunelu, kde je umístěn předmět studia. Tato část by měla být průhledná nebo se skleněnými okny, aby bylo možné pozorovat proudění vzduchu a měření. Obvykle jsou zde další prvky, jako je podpěra, která drží prototyp, dopravní pásy pro simulaci asfaltu, osvětlení atd. v závislosti na typu tunelu.
- Výstupní sekce: v podstatě difuzor, postupně zvyšuje rychlost vzduchu, když opouští tunel, čímž minimalizuje poruchy tlaku a teploty. Nakonec je tu výstupní tryska, kterou se vzduch vrací ven.
Existují vodní tunely?
Ano, existují vodní tunely, což jsou nástroje podobné aerodynamickým tunelům, ale jako tekutinu používají vodu (nebo jinou kapalinu). Jak víte, voda je hustší než vzduch, ale lze ji také použít k analýze různých detailů, jako je hydrodynamika lodí a ponorek, sportovních člunů, námořní inženýrství ke studiu vodních toků, struktur atd.
Kritéria návrhu aerodynamického tunelu
na navrhnout volný aerodynamický tunellze vzít v úvahu velké množství kritérií. Je pravda, že v kategoriích motoristického sportu, jako je F1, jsou aerodynamické tunely také řízeny předpisy, aby týmy nemohly za ně utrácet obrovské množství peněz, aby získaly výhody, ale v jiných odvětvích je absolutní svoboda, možnost volby bez omezení. :
- Velikost a tvar tunelu: Velikost aerodynamického tunelu úzce souvisí s rozměry prototypu studie, například tunel pro modely v měřítku 1:1 bude větší než jeden v menších měřítcích. Pamatujte, že příliš malý tunel může vytvářet efekty stěn a narušovat proudění vzduchu, zatímco příliš velký tunel může být nákladný a neefektivní. Zásadní roli hraje také tvar tunelu, který minimalizuje vznik nežádoucích vírů a turbulencí.
- rychlost proudění: Musíte si vybrat mezi vzduchovým kompresorem nebo ventilátorem a otáčkami nebo tlaky, při kterých pracuje, aby to bylo co nejreálnější. Například simulace větru pro architekturu není stejná jako simulace rychlosti F1 atd.
- Úseky pro úpravu toku: než vzduch dosáhne studovaného předmětu, prochází řadou sekcí navržených tak, aby jej upravovaly a eliminovaly nežádoucí turbulence. Síťové voštiny, síta s přímým prouděním a usazovací komory jsou některé příklady těchto sekcí, které zajišťují rovnoměrné a předvídatelné proudění vzduchu. Například v aerodynamických tunelech, kde se k simulaci pohybu země používají pohyblivé pásy, jsou obvykle prvky, které zabraňují této rotaci absorbovat nebo jakýmkoliv způsobem měnit tok vzduchu, který prochází spodní oblastí, protože by to změnilo výsledkem jsou prvky jako přední křídlo nebo ploché dno a difuzor…
- Řídicí a měřicí systém: ne všechny aerodynamické tunely nebo účely potřebují stejné monitorovací nebo měřicí systémy ani stejnou přesnost těchto prvků. Vše bude záviset na aplikaci.
Měřicí přístroje
Aerodynamické tunely, stejně jako senzory v reálném světě, závisí na široké škále měřicí a monitorovací přístroje pro zachycení přesných údajů o chování proudění vzduchu. Tyto nástroje mohou být:
- snímače rychlosti: Například mohou být zahrnuty anemometry pro měření rychlosti proudění vzduchu v určitém bodě pomocí vrtulových anemometrů nebo laserových Dopplerových efektů. Běžné jsou také slavné Pitotovy trubice, které vidíme u všech F1 v nose, ty tenké trubice ve tvaru F, které dokážou měřit tlaky a rychlosti vzduchu.
- senzory tlaku: Mohou to být senzory jako manometry, které budou měřit statický a dynamický tlak vzduchu, nebo také elektronické tlakové převodníky. Nejen, že je lze použít k měření průtoku, lze je také umístit pod kola pro měření aerodynamického zatížení atd.
- Senzory teploty a vlhkosti: Vlhkost a teplota mohou změnit hustotu a chování proudění vzduchu. Pokud chcete tyto detaily ovládat, najdeme i vlhkoměry, termistory, termočlánky atd.
- Snímače směru proudění: používají se tzv. lopatkové anemometry, které měří rychlost a směr proudění vzduchu v daném bodě. Jsou užitečné pro studium rozložení proudění kolem studovaného objektu. Například kolem pneumatiky…
- Systémy vizualizace toku: protože vzduch je průhledný, mohou být zahrnuty prvky, aby bylo možné vizualizovat proudění vizuálnějším způsobem, což pomáhá vědcům nebo inženýrům. Například kouř je vstřikován do proudu vzduchu, aby se vizualizovaly proudnice a zóny turbulence. Mohou být také přidána barviva, a to jak ve vzduchu, tak v tekutinách, jako je voda pro vodní tunely, o kterých jsem mluvil dříve. Dalším způsobem, jak toho dosáhnout, je pomocí takzvaných stopovacích částic, které jsou zavedeny do proudu vzduchu, aby sledovaly jeho trajektorii a vizualizovaly vzor proudění.
- Systémy pro sběr a zpracování dat: pro sběr a analýzu všech dat z výše uvedených systémů je nutné mít záznamy v reálném čase nebo v určitých intervalech, stejně jako systémy pro sběr dat nebo DAQ, které převádějí analogové signály ze senzorů na digitální data, která mají být zpracována počítač a také software pro analýzu dat pro prohlížení a analýzu získaných dat.
Typy aerodynamických tunelů
Přestože mají stejný základní cíl, aerodynamické tunely Jsou klasifikovány do různých typů na základě jejich vlastností, schopností a specifických aplikací.. Nejoblíbenější podle rychlosti proudění jsou:
- Podzvukové aerodynamické tunelyTyto tunely simulují rychlosti vzduchu pod rychlostí zvuku, díky čemuž jsou ideální pro studium široké škály aplikací, jako je aerodynamika potrubí a trubek, aerodynamika motoristického sportu, sport nebo inženýrství.
- Nadzvukové aerodynamické tunely: Simulují rychlosti vzduchu, které překračují rychlost zvuku, což je klíčové pro vývoj letadel a projektilů, které operují nadzvukovou rychlostí. Obvykle se používají ke konstrukci vysokorychlostních letadel, jako jsou stíhačky, také pro rakety, rakety, proudové motory atd.
- Hypersonické aerodynamické tunely: jdou ještě o krok dále, s rychlostmi vzduchu, které několikanásobně převyšují rychlost zvuku, používané pro konstrukci vesmírných vozidel a hypersonických střel a dokonce i pro jiné typy vědeckého výzkumu.
V závislosti na teplotě, při které pracují, můžeme také vidět:
- Konvenční aerodynamické tunely: Pracují při normálních teplotách, obecně těch, které obvykle máme na úrovni okolí.
- Kryogenní aerodynamické tunely: při extrémně nízkých teplotách, simulující podmínky proudění vzduchu ve vysokých nadmořských výškách nebo ve vesmíru. Mohou být užitečné pro kosmické lodě, které mají velmi nízké teploty, a také pro další analytické aplikace v kryogenních systémech.
Podle jeho architektury také najdeme:
- Aerodynamické tunely s uzavřeným návratem: V těchto tunelech vzduch cirkuluje v uzavřeném okruhu poháněném ventilátorem nebo kompresorem. Předmět studie je umístěn v proudu vzduchu a vzduch je recirkulován tunelem. Tato konstrukce nabízí několik výhod, jako je zvýšená účinnost při recirkulaci vzduchu, snížení spotřeby energie a potřeby čerstvého vzduchu, jakož i umožnění lepší regulace průtoku, pokud jde o rychlost, teplotu a vlhkost. Jsou také tišší.
- Větrné tunely s otevřeným návratem: na rozdíl od tunelů s uzavřeným zpětným chodem v nich vzduch cirkuluje v otevřeném okruhu. Vzduch je protlačen tunelem a poté vypuštěn do atmosféry. Toto provedení je běžné ve velkých tunelech, kde recirkulace vzduchu není praktická nebo efektivní. Díky tomuto designu máme větší kapacity pro větší prototypy, navíc jsou levnější, protože mají jednodušší architekturu než kruhové. Dalším důležitým detailem je, že otevřený návrat nám umožňuje lépe simulovat skutečné větrné podmínky, protože vzduch necirkuluje, což je pozitivní například pro aerodynamiku vozidla.