NASA-vindtunnel med flymodell.Modell-Cessna med heliumfylte bobler som viser strømlinjene for virvlene ved vingespissen.
En vindtunnel er et forskningsverktøy som er utviklet for å studere gass som strømmer langs faste legemer.
Høyhastighets-vindstrømmer studeres i vindtunnel med flere hjelpemidler, blant annet:
Tråder som festes til overflaten av en gjenstand for å vise retningen luftstrømmen følger og luftstrømmenes relative hastighet.
Farge eller røyk som injiseres i luftstrømmen før den når objektet, slik at luftstrømmen langs objektet blir synliggjort under passeringen.
Pitotrør er et rør med åpning mot luftstrømmen som settes inn i luftstrømmen for å måle det dynamiske trykket. Pitotrøret kobles til en trykkmåler med et rør eller slange. På overflaten av en flykropp eller vingeprofil kan en åpning med rørforbindelse til en trykkmåler gi det statiske trykket, eller en blanding av statisk og dynamisk trykk avhengig av hullets plassering.
Historie
Den engelske militæringeniøren Benjamin Robins (1707–1751) oppfant et apparat med en snurrende arm til å bestemme luftmotstanden og utførte noen av de første eksperimenter innen teoretisk flyteknikk.
«Aerodynamikkens far», Sir George Cayley (1773–1857) brukte også en snurrende arm til å måle forskjellige vingeprofilers luftmotstand og løft. Den var ca. en og en halv meter lang og hadde en øvre hastighet på mellom 3 og 6 m/sek. På grunnlag av målingene fra testarmen bygget han et lite glidefly som antas å være historiens første vellykkede glidefly som kunne bære et menneske.
Den «snurrende arm» danner ikke en tilfredsstillende luftstrøm som utsetter testobjektet for normale forhold. Sentrifugalkreftene og det faktum at testobjektet beveger seg i sin egen luftstrøm betyr at en detaljert studie av luftstrømmen er vanskelig. Francis Herbert Wenham (1824–1908), medlem av rådet i Aeronautical Society of Great Britain, løste disse utfordringene ved å konstruere og bruke den første lukkede vindtunnel i 1871.
Umiddelbart etter dette gjennombruddet fikk man gjennom bruken av dette verktøyet i rask rekkefølge en mengde detaljerte og langt mer pålitelige, aerodynamiske data enn man tidligere hadde hatt mulighet for. Wenham og hans kollega Browning er kreditert en rekke grunnleggende oppdagelser, deriblant målingen av l/d-(bredde/høyde)forholdet og betydningen av et høyt høyde/breddeforhold.
I en klassisk eksperimentrekke demonstrerte engelskmannen Osborne Reynolds (1842–1912) ved universitetet i Manchester at luftstrømmen over en skalamodell var den samme i fullskala, dersom visse strømmingsparametre var de samme i begge tilfellene. Denne faktoren, nå kjent som Reynolds tall, er en grunnleggende parameter i beskrivelsen av alle strømningstilfeller innbefattet strømningsmønstrene, varmeoverføringskoeffisienten og startpunkter for turbulensen.
Dette dreier seg om de sentrale vitenskapelige begrunnelser for å benytte skalamodeller i vindtunnel for å simulere realistiske fullskalasituasjoner slik de opptrer i virkeligheten.
Wright-brødrenes bruk av en enkel vindtunnel i 1901 for å studere virkningen av luftstrømmen over forskjellige vingeprofiler under utviklingen av deres Wright Flyer var i så måte revolusjonerende. I ettertid kan man imidlertid hevde at de bare benyttet seg av den datidige teknikk, selv om den ennå ikke var i alminnelig bruk i Amerika.
Den etterfølgende bruk av vindtunneler spredte seg, og det ble etablert vitenskapelig, aerodynamisk forskning samtidig med utviklingen av aerodynamikken.
Vindtunneler hadde ofte begrensninger i det volum og de strømningshastigeter som kunne oppnås. Den vindtunnelen som ble brukt av de tyske forskerne ved Peenemünde før og under den andre verdenskrigen er et interessant eksempel på de vanskelighetene som var knyttet til forsøkene på å utvide det praktisk anvendelige registeret av store vindtunneler. Man anvendte noen store, naturlige huler som ble utvidet og forseglet til store volumer med luft som kunne ledes gjennom vindtunellene. Denne innovative tilnærmingsmåte gjorde det mulig med laboratorieforsøk med høye lufthastigheter og dermed øke fremdriftstakten i Tysklands utviklingsbestrebelser innen luftfartsteknikken.
Senere forskning i luftstrømning over eller nær lydens hastighet, har benyttet seg av en tilsvarende tilnærmingsmetode. Trykk-kamre i metall ble brukt til å lagre luft under høyt trykk som så ble akselerert gjennom en dyse konstruert for å levere supersoniske luftstrømmer. Måleinstrumentene ble plassert på et passende sted i flaskehalsen eller dysen hvor man oppnådde den ønskede lufthastigheten.
I begrenset omfang kan anvendelser som numerisk væskedynamikk (CFD – Computational fluid dynamics) utvide eller muligens erstatte bruken av vindtunneler. Rakettflyet SpaceShipOne ble for eksempel konstruert helt uten bruk av vindtunneler. Under prøveturene hadde man imidlertid festet bånd til vingeoverflatene og utførte en faktisk vindtunneltest under en virkelig flytur for å raffinere den benyttede beregningsmodellen.
Det må imidlertid innskytes at for situasjoner hvor det forekommer en ytre, turbulent luftstrøm, er CFD upraktisk som følge av begrensninger i dagens beregningskapasitet. Et eksempel på et område som fremdeles er for komplekst for å anvende CFD er innen bestemmelsen av strømningene rundt konstruksjoner, broer, terrengformasjoner etc.
En modell gjøres klar i en såkalt «Kirsten-vindtunnel» for hastigheter under lydhastigheten ved University of Washington
Den mest effektive måten å simulere ytre turbulente strømninger er gjennom bruk av grenselag-vindtunnel.
Det er mange anvendelsesområder for bruk av modeller i grenselag-vindtunneler. For eksempel er øket forståelse for hvordan vinden virker på høybygg, fabrikker, broer etc. viktig hjelp for konstruktører som bygger strukturer som ved å konstrueres på en så effektiv måte som mulig, skal tåle de påkjenninger de kan utsettes for.
Et annet viktig anvendelsesområde for grenselag-vindtunneler er forståelsen for gassutslipp og spredningsmønstre i sykehus, laboratorier og andre kilder. Det er viktig å kunne kartlegge effekten av avsug og ventilasjonssystemer.
Andre områder for grenselag-vindtunneler er vurderingen av forholdene for fotgjengere i vind med regn eller snø på spesielle steder.
Bruk av vindtunnelmodeller er dessuten et anerkjent hjelpemiddel i utviklingen av såkalte grønne hus. For eksempel kan grenselag-vindtunneler brukes som et ledd i godkjenningen og sertifiseringen (U.S. Green Building Council).
I en grenselag-vindtunnel kan man dessuten simulere luftmotstanden på jordas overflate. For å oppnå høyest mulig presisjon er det viktig å simulere den midlere vindhastighetsprofilen og turbulensvirkningene innenfor det atmosfæriske grensesjiktet. Flertallet av regler og standarder har som forutsetning at prøver i vindtunnel er i stand til å frembringe pålitelige data. Spesielt for prosjekter som befinner seg i et kompliserte terrengformasjoner eller på utsatte steder.
Virkemåte
Six-element external balance below the Kirsten Wind Tunnel
Luft blir blåst eller suget inn i en kanal som er utstyrt med en inspeksjonsåpning og instrumentering hvor fysiske modeller eller geometriske former monteres for å studeres. Det vanlige er at luften beveges gjennom tunnelen ved hjelp av en rekke vifter. For svært store vindtunneler med et tverrsnitt på flere meter er en enkelt vifte utilstrekkelig. Man benytter seg i stedet av serier med flere vifter i parallell for å frembringe en tilstrekkelig luftstrøm. Som et resultat av volumet og lufthastigheten alene blir viftene helst drevet av stasjonære turbiner fremfor elektromotorer.
Luftstrømmen som viftene sender inn i tunnelen er i utgangspunktet svært turbulente som følge av viftebladenes bevegelser og er lite egnet for nøyaktige målinger. Luften som passerer vindtunnelen må være laminær og relativt fri for turbulens. For å oppnå dette må luften passere gjennom en rekke horisontale og vertikale tett plasserte lameller som glatter ut den turbulente luftstrømmen før den når testmodellen.
På grunn av virkningene av viskositeten er det typiske tverrsnittet i en vindtunnel heller sirkulært enn firkantet fordi lutstrømmen vil møte større motstand i hjørnene som kan forårsake at luftstrømmen blir turbulent. En sirkulær vindtunnel gir en mye jevnere flyt.
Innerflaten i tunnelen er gjort glatt for å redusere overflatemotstanden som kan påvirke nøyaktigheten i målersultatene. Selv glatte vegger kan fremkalle noe luftmotstand som påvirker flyten i luftstrømmen. Derfor blir forsøksmodellen oftest plassert i sentrum av luftstrømmen med en fri buffersone mellom forsøksmodellen og veggene i vindtunnelen.
Belysning er også vanligvis innfelt i tunnelveggen bak glatte glassdeksel for å unngå unødig turbulens. Tilsvarende gjøres observasjoner gjennom glassvinduer som er formet tilsvarende kurvaturen i vindtunnelveggen.
Det benyttes ulike teknikker i studiet av luftstrømmen rundt geometrien og for å sammenlikne den med de teoretiske beregningene hvor man må ta med i beregningene Reynolds tall og Mach-tallet med hensyn til systemets virkemåte.
Trykkmålinger
Man kan foreta målinger av lufttrykket på overflaten til forsøksmodellen hvis den er utstyrt med trykkventiler. Dette er særlig nyttig for tilstander hvor trykket er den dominerende faktor. Men dette kan bare forklare krefter som normalt på forekommer omkring objektet.
Målinger av kraft og moment
En kurve som viser typisk forhold mellom løftkoeffesienten og angrepsvinkelen.
Når modellen er montert på en vektarm som kan registrere kraftforandringer for løft, luftmotstand, krefter mot en av sidene, eller rotasjonskrefter mot en av sidene, eller som trykker en vinge opp eller ned, eller presser nesa opp eller ned. Alle slike krefter kan måles ved forskjellige angrepsvinkler og gi kurver som ovenfor. Vektarmen selv vil også gi luftmotstand og turbulens som kan gi feil i målingene. Det er derfor viktig at vektarmene er utformet slik at de gir liten luftmotstand.
Strømningsvisualisering
Siden lufta vanligvis er usynlig, er det vanskelig å se luftstrømningene direkte. Det kan legges en eller flere striper med røyk eller med små dråper like foran objektet som studeres. Røyken og dråpene må være lette nok til å holde seg svevende lenge nok i luftstrømmen.
Et gitter av mange dyser som gir røyk eller dråper i luftstrømmen, kan gi et godt tredimensjonalt bilde av luftstrømmen rundt modellen som undersøkes. Det er også viktig at gitteret som sender røyk eller dråper er utformet slik at det heller ikke lager turbulens i luftstrømmen.
Turbulens i høy hastighet og vingetippvirvler kan være vanskelig å observere direkte. Høyfrekvente blitslamper og høyhastighets filmkameraer kan vise fenomener som det nakne øyet ikke vil kunne se.
Høyhastighetskameraer brukes også når testobjektet beveger seg raskt, som for eksempel et propellblad. Disse kameraene kan fryse bildet av hvordan propellbladet skjærer lufta, og kan vise virvlene langs bakkanten av propellbladet.
Forskjellige typer vindtunneler
Det er mange typer vindtuneller som inndeles etter lufthastigheten i tunnelen. Lavhastighets og høyhastighetstunneler omtales som de med hastighet under lydens hastighet. Supersoniske og hypersoniske vindtunneler gir hastighetedr over lydens hastighet.
Aquadynamic Flume (akvadynamisk vannrenne)
En vannrenne kan gi tilsvarende resultater og testforhold som i en vindtunnel, men siden vannet har langt høyere masse og viskositet enn luft blir det betydelig større krefter på testmodellen. Skipsmodelltanken i Trondheim er vel den største i Norge der det utføres slike tester.
Testing i vann eller olje med lav hastighet og forstørrede modeller
Luft kan egne seg dårlig til å studere små strukturer med store hastigheter. For å forstå virkemåten hvordan insektvinger skaper løft, ble modeller av insektet med vinger 100 ganger større, studert i en stor tank med olje. Frekvensen av vingeslagene kunne reduseres betydelig og det ble lettere å se og forstå strømninger og virvler som dannes av vingeslagene.
