نویسنده: شهروز محمدی
ممکن است با Wingletها که باعث کاهش جریانات حلقوی میشوند آشنا باشید . اما چگونه دانشمندان به این دسته از مشخصات آئرودینامیکی هواپیما دست مییابند ؟ آزمایشات طراحی بدنه هواپیما چگونه صورت میگیرد ؟ به خواندن ادامه دهید تا با یکی از روش های آزمایش طراحی هواپیما ، یعنی تونل باد آشنا شوید .
در مکانیک سیالات دو راه برای محاسبه پارامترهای مختلف میدان جریان سیال, مانند سرعت و فشار وجود دارد. راه اول حل عددی معادلات ناویر استوکس و پیوستگی در علم دینامیک سیالات محاسباتی است. راه دوم نیز انجام آزمایشات تجربی در تونلهای باد و یا محیطهای آزمایشگاهی دیگر است.
تونل باد را میتوان به عنوان لوله های بزرگ و تو خالی معرفی کرد که جریان هوا در آن با سرعت و فشار مشخص روی یک مدل ساکن جهت انجام شبیه سازیِ شرایط پرواز واقعی ، در حال حرکت است. یکی از کاربردهای تونل باد ، شبیهسازی وضعیت پرواز است. در این حالت ، محققین با استفاده از ابزارآلات اندازهگيری ، مشخصات پروازی جسم پرنده مورد نظر در شرايط مختلف را مورد بررسی قرار میدهند.
پاسخ شما مثال واضح زیر میباشد.
فرض کنید شما مسئول طراحی و ساخت یک سازه هوایی را بر عهده دارید که قرار است برای ساخت هر فروند از این هواپیما ، میلیون ها دلار از بودجه شرکت خود را کنار بگذارید . حال سازه شما در مراحل پایانی تولید قرار دارد و اکنون زمان بررسی آن فرا رسیده .
لحظه شماری میکنید تا حاصل دست رنج خود را تماشا کنید . اگر شما وظیفهتان را درست انجام داده باشید، ممکن است که در مراحل اولیه پرواز ، سازه شما به مشکلی بر نخورد ؛ اما پس از قرار گرفتن در شرایط بحرانی به راحتی در آسمان بر فراز یک شهر یا منطقه مسکونی متلاشی شود .
اکنون شما میمانید و بودجه های از دست رفته شرکتتان و از آن مهم تر تلفات جانی که در پیش داشتید .
به همین دلایل مهندسین مکانی را طراحی کردند که در آن شما میتوانید پرنده خود را در شرایط مختلف مورد آزمایش قرار دهید . این مکان Wind tunnel یا تونل باد نام گذاری شده است . این مثال در فضای هوانوردی بیان شد ؛ اما هواپیما ها، موشک ها، شاتل های فضایی، ماشین های مسابقه ای فوق سریع، قایق های تندرو، دوچرخه های مسابقه ای و حتی انواع تراشه های کامپیوتری یا سازه های ساختمانی، اگر یک پیشرفت تکنولوژیکی در ارتباط با تونل باد نبود، ممکن بود هرگز محقق نمی شدند.
پیشرفتها در طراحی تونل باد، در کنار دینامیک سیالات محاسباتی، به طور قابل توجهی به پیشرفتهای فنآوری در هوانوردی، مهندسی خودرو و حتی معماری کمک کرده است و کمک میکند تا با درک بهتری از نحوه حرکت هوا در اطراف اجسام، تولیدکنندگان بتوانند محصولات سریعتر، ایمنتر، مطمئنتر و کارآمدتر را طراحی و تولید کنند.
به طور خلاصه، بسیاری از شگفتی های مدرن ما به لطف تونل های باد پیشرفته هستند.
این لوله های بزرگ و توخالی شرایط باد کنترل شده ای را برای مطالعه رفتار اجسام در جریان هوا ایجاد می کنند. محققان و دانشمندان از طریق سنسورها و تکنیکهای تجسم، دادههای مربوط به نیروهای آیرودینامیکی مانند نیروی برآ Lift )) ، نیروی پسا ((Drag ، آشفتگی یا تلاطم ( Turbulent) را جمع آوری میکنند.
تونل های باد که در آن پرندگان بر خلاف جریان هوای تولید شده مصنوعی پرواز میکنند، از مدتها قبل برای ارزیابی ویژگیهای آیرودینامیکی پرواز ثابت پرندگان مورد استفاده قرار گرفتهاند. نسل جدیدی از تونل های باد همچنین اجازه داده است که بسیاری از فرآیندهای مرتبط با پروازهای مهاجر مورد مطالعه قرار گیرند. تئوری مهاجرت کنونی بر اساس رابطه قدرت-سرعت پرواز و همچنین معادلات برد پرواز است که هر دوی آنها را می توان با استفاده از پرندگانی که در تونل های باد پرواز می کنند ارزیابی کرد. علاوه بر این، و بسته به ویژگیهای تونل باد، عملکرد در حین پرواز با سر خوردن و صعود و اثرات فشار هوا، رطوبت و تلاطم بر پرواز پرندگان اندازهگیری شده است.
زیبایی روش کار تونل باد در این واقعیت نهفته است که پرندگان و سایر حیوانات پرنده را می توان برای پرواز "ایستا" آموزش داد که امکان مطالعات دقیق پرواز از طریق لنز دوربین، ماسک تنفس یا چشم غیر مسلح را فراهم می کند. البته چندین جنبه از پرواز را می توان در طبیعت نیز مطالعه کرد، اما مزیت تونل باد این است که می توان شرایط پرواز را به دقت کنترل و دستکاری کرد. علاوه بر این، فرآیندهای فیزیولوژیکی مختلف را می توان با جزئیات کامل قبل، حین و پس از پرواز مورد مطالعه قرار داد، زیرا پرنده در کنترل دانشمند باقی می ماند.
اکنون ممکن است این سوال برای شما پیش بیاید که :
مگر یک تونل باد چه ویژگی منحصر به فردی دارد که از چنین اهمیتی برخوردار است ؟
در پاسخ این پرسش ، بهتر است که نخست با اجزای تشکیل دهنده یک تونل باد آشنا شویم تا بتوانیم آن را مورد بررسی قرار دهیم .
شخصی که برای اولین بار یک تونل باد مدرن را مشاهده می کند، یک ساختار انباری عظیم و نامطلوب از گوشه های غیرمنتظره و زائده های متصل شده را می بیند که هیچ ارزش معماری ندارد. اما از بالا، تونل های باد ظاهر دیگری به خود می گیرند.
در واقع، سازه ها اغلب آنقدر بزرگ هستند که می توان آنها را به طور کامل فقط از هوا مشاهده کرد . تنها در این نماهای بالای سر، گوشه ها و زائده ها به یک وحدت هدفمند دست می یابند. عکسهای گرفته شده در داخل تونلها، که مهندسان و مدلهایشان را در حال کار نشان میدهند، اغلب آشکارتر و آموزندهتر هستند.
تونل های باد معمولاً دارای فن های قدرتمندی هستند که جریان هوا را در داخل تونل ایجاد میکنند . حرکت هوا در اطراف جسم ساکن نشان می دهد که اگر جسم در هوا حرکت می کرد چه اتفاقی می افتاد. برخی از تونل ها به اندازه یک میز کامپیوتر هستند و فقط برای آزمایش اجسام بسیار کوچک مناسب میباشند.
سایر تونل ها سازه های عظیمی هستند که مهندسان در آنها هواپیماها و اتومبیل هایی با مقیاس های واقعی را آزمایش می کنند.
اولین تونل های باد فقط مجرایی با فن هایی در یک انتها بودند. این تونلها هوای متلاطم و ناهموار ایجاد میکردند. بنابراین مهندسان به طور پیوسته برای بهبود جریان هوا با تغییر طرحبندی تونلها تلاش میکردند. تونل های مدرن به لطف طراحی اساسی جریان هوای بسیار نرم تری را ارائه می دهند .
اکثر تونل های باد فقط جعبه های طولانی و مستقیم یا مدار باز (Open return wind tunnel) هستند.
با این حال، برخی از آنها در مدارهای بسته یا تونل باد بازگشتی بسته (Closed return wind tunnel) ساخته شده اند ، که اساساً بیضی هستند و هوا را مانند یک مسیر مسابقه، با استفاده از پره ها و ساختار های لانه زنبوری برای هدایت دقیق جریان می فرستند.
یک تونل باد کمی شبیه یک لوله بزرگ است که به صورت دایره ای با یک فن در وسط خود به دور خود می پیچد . در عمل، کمی پیچیده تر است. لوله به جای اینکه در تمام طول به شکل یکنواخت باشد، در برخی نقاط پهن تر و در برخی دیگر بسیار باریک تر است.بر اساس اصل برنولی ، هنگامی که جریان هوا با یک سرعت و فشار معین وارد قسمت باریک میشود ، همگرائی یا Convergent اتفاق میافتد که باعث میشود سرعت جریان افزایش و فشار آن کاهش یابد . به قسمت پهن تر که میرسد Divergent یا واگرائی اتفاق افتاده و هر دو سرعت و فشار به مقادیر اولیه بر میگردد.
مهندسان با استفاده از روشهای مختلف، مدلها را در بخش آزمایش نصب میکنند، اما معمولاً مدلها با استفاده از سیمها یا قطبهای فلزی ثابت نگه داشته میشوند که برای جلوگیری از ایجاد اختلال در جریان هوا، در پشت مدل قرار میگیرند.
بخش های دیگر و قابل توجه یک تونل باد عبارتند از :
به طور معمول، حسگرها و ابزارهایی در داخل تونل های باد وجود دارند که داده های اصلی و مهم را در مورد تعامل یک شی با باد به محققان ارائه می دهند. و اغلب، پنجره هایی وجود دارد که برای همان دانشمندان امکان مشاهده بصری آزمایش را فراهم میسازد. با این داده ها و مشاهدات، مهندسان با متغیرهای آیرودینامیک مانند فشار، سرعت، دما و چگالی دست و پنجه نرم می کنند. آنها ارتفاع، کشش، دیواره صوتی (Shock Wawe)و سایر شرایطی را که بر هواپیماها و سایر ابزارهایی که از طریق باد سرعت میگیرند تأثیر میگذارند را اندازهگیری میکنند.
تونل های باد پیکربندی های بی پایانی را برای آزمایش ایده ها و مفاهیم بی حد و حصر ارائه می دهند.
اکثر تونل های باد نیز به اندازه متوسط و به اندازه کافی کوچک هستند تا در آزمایشگاه های یک دانشگاه علمی پژوهشی قرار بگیرند. این بدان معناست که اجسام آزمایشی باید به اندازه ای کوچک شوند که در تونل قرار گیرند. این مدل های مقیاس ممکن است هواپیماهای مینیاتوری باشند که با هزینه زیاد با دقت بسیار بالایی ساخته شده اند. یا ممکن است تنها بخشی از بدنه هواپیما (بال ، موتور یا...) یا اشیاء دیگری باشند.
اما برخی از تونل های باد به معنای واقعی بزرگ هستند!
مرکز تحقیقات ایمز ناسا در نزدیکی سن خوزه، کالیفرنیا، بزرگترین تونل باد جهان را در خود جای داده است. حدود 54.8 متر ارتفاع، بیش از 426.7 متر طول، با یک بخش آزمایشی را 24 متر ارتفاع ، 36.5 متر عرض، به اندازه کافی بزرگ است که بتواند یک هواپیمای با طول بال 30 متر را در خود جای دهد را در خود جای دهد.
این تونل از شش فن چهار طبقه استفاده می کند که هر کدام توسط شش موتور 22500 اسب بخاری هدایت می شوند که می توانند بادهایی را تا 115 مایل در ساعت (185 کیلومتر در ساعت) هدایت کنند.
اندازه تنها عامل تونل های باد فوق العاده نیست. به خواندن ادامه دهید، و خواهید فهمید که برخی از این تونل ها واقعا چقدر مدرن هستند.
مهندسان اغلب نیاز به آزمایش چندین متغیر آیرودینامیکی و محیطی به طور همزمان دارند. به همین دلیل است که برخی از تونل ها مجموعه وسیعی از امکانات آزمایش را در یک مکان ارائه می دهند. تونل باد بزرگ آب و هوایی( Weather Tunnel) وین که بیشتر برای آزمایش خودروها و وسایل نقلیه ریلی استفاده می شود، یکی از این تونل ها است. بخش آزمایشی به تنهایی 328 فوت (100 متر) طول دارد که سرعت باد تا 186 مایل در ساعت (299 کیلومتر در ساعت) در آن جریان دارد.
مهندسان می توانند رطوبت نسبی در آن را از 10 تا 98 درصد تنظیم کنند و دما را از 45- تا 60 درجه سانتیگراد افزایش دهند. درست به نام خود، تونل آب و هوایی وین علاوه بر شبیه سازهای قرار گرفتن در معرض خورشید، دارای قابلیت های باران، برف و یخ نیز می باشد.
دانشگاه تگزاس در مرکز تحقیقات آیرودینامیک آرلینگتون دارای چیزی است که تونل جت قوس الکتریکی نامیده می شود که جریان های مافوق صوت گاز بسیار داغ را در دمای تا 8540 درجه فارنهایت (4727 سانتیگراد) تولید می کند. این نوع دماها به ویژه برای ناسا مفید است که فضاپیمای خود را با ورود مجدد به جو زمین در معرض گرمای زیاد قرار می دهد.
آزمایشگاه آیرودینامیک جنرال موتورز دارای بزرگترین تونل باد برای مطالعه آیرودینامیک خودرو است . از زمان ساخت این تونل در سه دهه پیش، مهندسان این شرکت ضریب پسای خودروهای خود را حدود 25 درصد کاهش داده اند. این نوع بهبود، مصرف سوخت را سه تا پنج کیلومتر در هر گالن ( حدود ۴ لیتر ) افزایش می دهد.
بسیاری از انواع دیگر تونل ها برای اهداف خاص طراحی شده اند. برخی از طرحها از قطبها یا سیمها برای محکم کردن مدل پرش میکنند و در عوض از آهنرباهای قدرتمندی استفاده میکنند که مدلهای فلزی را در بخش تست معلق میکنند. برخی دیگر سیمهای کنترل از راه دور را ارائه میکنند که به دانشمندان اجازه میدهد در واقع یک هواپیمای مدل در منطقه آزمایش «پرواز» کند.
برخی از تونل ها به طور کامل هوا را حذف می کنند و در عوض از آب استفاده می کنند. آب بسیار شبیه هوا جریان دارد، اما چگالی آن بیشتر از هوا است و بیشتر قابل مشاهده است. این ویژگیها به دانشمندان کمک میکند الگوهای جریان را در اطراف زیردریاییها و بدنه کشتیها تجسم کنند، یا حتی بهتر است امواج ضربهای ایجاد شده توسط هواپیماها و موشکهای بسیار سریع را ببینند.
مهندسان الکترونیک از تونلهای باد کوچک استفاده میکنند تا ببینند جریان هوا چگونه بر تجمع گرما در قطعات تأثیر میگذارد. سپس آنها می توانند تراشه های کامپیوتری و مادربردهای خنک تری طراحی کنند که عمر طولانی تری داشته باشند.
مدیران تاسیسات از تونل های باد برای آزمایش توربین های بادی استفاده شده برای تولید برق استفاده می کنند . تونلهای باد به توربینها و پرههای آنها کارآمدتر، مؤثرتر و بادوامتر میشوند، بنابراین میتوانند در برابر تندبادهای مداوم و قدرتمند مقاومت کنند. اما تونلهای باد همچنین به مهندسان کمک میکنند تا طرحبندی مزرعه بادی و فاصله توربینها را تعیین کنند تا در عین حال تلاطم مکش نیرو را به حداکثر برسانند.
قابلیت یخ زدگی نیز به ویژه، برای دهه ها جزء حیاتی در تونل های باد بوده است، زیرا تجمع یخ روی سطوح هواپیما می تواند فاجعه آمیز باشد و باعث سقوط هواپیما شود. تونل های یخ دارای سیستم های سرمایشی هستند که هوا را خنک می کنند و سپس قطرات ریز آب را به جریان هوا می پاشند . سپس مهندسان میتوانند با راهحلهایی برای مقابله با تجمع یخ، به عنوان مثال، با نصب سیستمهای گرمایشی که سطوح هواپیما را گرم میکنند، این موضوع را دستکاری کنند.
قابلیت های فشار هوا نیز تونل های باد را متمایز می کند. برخی از تونل ها دارای کنترل هایی برای کاهش یا افزایش فشار هوا هستند. به عنوان مثال، در آزمایش وسایل نقلیه فضایی، ناسا می تواند تونلی ایجاد کند تا جو کم فشار مریخ را تقلید کند.
فاکتورهای دیگری نیز در حین آزمون نقش دارند بدون توجه به اینکه موضوع آزمون چه می تواند باشد. به عنوان مثال، کیفیت هوا در تونل قابل تغییر است و تأثیر فوق العاده ای بر نتایج آزمایش دارد. علاوه بر اندازهگیری دقیق شکل و سرعت جسم یا باد که از کنار جسم میوزد ، آزمایشکنندگان باید ویسکوزیته یا چسبندگی و تراکمپذیری هوا را در طول آزمایشهای خود در نظر بگیرند.
پی بردن به اینکه چگونه همه این شرایط بر جسم آزمایشی تأثیر میگذارند، به سیستمی از حسگرها و رایانهها برای ثبت دادههای حسگر نیاز دارد. از لولههای پیتوت برای اندازهگیری سرعت جریان هوا استفاده میشود، اما تونلهای پیشرفته بادسنجهای لیزری را نصب میکنند که سرعت باد را با شناسایی ذرات معلق در جریان هوا تشخیص میدهند.به این روش PIVیا Particle Image Velocimetry میگویند. پروب های فشار ، فشار هوا را کنترل می کنند و سنسورهای فشار بخار آب ، رطوبت را ردیابی می کنند.
علاوه بر حسگرها، مشاهدات بصری نیز بسیار مفید هستند، اما برای قابل مشاهده کردن جریان هوا، دانشمندان به تکنیک های مختلف تجسم جریان تکیه می کنند . آنها ممکن است قسمت آزمایش را با دود رنگی یا یک غبار ریز مایع مانند آب پر کنند تا ببینند چگونه هوا روی مدل حرکت می کند.
آنها ممکن است روغن های ضخیم و رنگی را روی مدل اعمال میکنند تا ببینند باد چگونه روغن را در امتداد سطح مدل حرکت می دهد. (Oil flow visualisation in wind tunnel)
دوربینهای فیلمبرداری با سرعت بالا ممکن است دود یا روغنها را هنگام حرکت ضبط کنند تا به دانشمندان کمک کنند تا سرنخهایی را که با چشم غیرمسلح قابل تشخیص نیستند، شناسایی کنند. در برخی موارد از لیزر برای روشن کردن غبار یا دود و آشکار کردن جزئیات جریان هوا استفاده می شود.
همچنین بر اساس سرعت هوا ، تونل های باد را میتوان به چهار دسته زیر تقسیم بندی کرد .
1-زیر سرعت صوت (Subsonic)
2-حدود سرعت صوت (Transonic) : از 0.8 تا 1.2 Mach
3-مافوق صوت (Supersonic) : از 1 تا 5 Mach
4-فرا صوت (Hypersonic) : بیش از 5 Mach
تونل های مافوق صوت و فرا صوت از فن استفاده نمی کنند. برای تولید این شدت از جریان هوای سرسام آور، دانشمندان از انفجارهای هوای فشرده ذخیره شده در مخازن تحت فشار که در سرمنشأ بخش آزمایشی قرار گرفته اند استفاده می کنند، به همین دلیل است که گاهی اوقات آنها را تونل های انفجاری می نامند . به طور مشابه، گاهی اوقات تونل های مافوق صوت را لوله های شوک می نامند که اشاره ای به انفجارهای پرقدرت اما بسیار کوتاهی است که تولید می کنند. هر دو نیاز به توان بسیار زیادی دارند، که معمولاً آنها را برای آزمایشهای کوتاه یا متناوب بهترین میکند.
ساخت تونل های باد و مدل های آزمایشی ارزان نیستند. به همین دلیل است که سازمانهای بیشتری تونلهای باد خود را غیرفعال میکنند و به مدلسازی رایانهای که دینامیک سیالات محاسباتی (CFD – Computational fluid dynamics) نیز نامیده میشود ، روی میآورند که اکنون اغلب به جای مدلهای فیزیکی و تونلها استفاده میشود. علاوه بر این، کامپیوترها به مهندسان این امکان را می دهند که متغیرهای بی نهایت مدل و بخش تست را بدون کار دستی وقت گیر (و گران قیمت) تنظیم کنند. گاهی اوقات از تونل های فیزیکی فقط برای آزمایش مجدد نتایج مدل سازی کامپیوتری استفاده می شود.
با این حال، در حال حاضر، تونلهای باد هنوز در سرتاسر جهان در حال استفاده فعال هستند و به دانشمندان کمک میکنند محصولات و وسایل نقلیه ایمنتر و کارآمدتر از هر نوع تولید کنند. و حتی اگر فناوریهای مجازی جدیدتر در نهایت جایگزین تونلهای باد فیزیکی شوند، این شگفتیهای مهندسی همیشه در تاریخ توسعه بشریت جایگاهی خواهند داشت.
نام و نام خانوادگی :
پست الکترونیک :
نظرات:
برای ارتباط با تحریریه سایت به آدرس تلگرامی mohammad_shafikhani@ مراجعه نمایید. به منظور تبلیغات در سایت با آدرس تلگرامی mohammad_shafikhani @ مکاتبه نمایید . برای اعلام مشکل در سایت و نظرات و پیشنهادات خود با آدرس support@aviationarticles.ir مکاتبه فرمایید.
ایده راه اندازی پایگاه خبری aviationarticlesبه بهمن ۱۳۹7 برمی گردد. پایگاه خبری aviationarticlesبا هدف آگاه و حساس سازی شهروندان وعلاقه مندان و در دسترس بودن تمامی تحلیل ها ومطالب روز هوانوردی ایران و جهان در حوزه تخصصی هوانوردی آغاز به کار کرد.
پایگاهی که سعی دارد با بهره گیری از متخصصان با تجربه و مجرب صنعت هوانوردی ، مقالاتی نو ،جامع و مفید را دراختیارمخاطبان خود قراردهد.
تمامی حقوق مادی و معنوی این وبسایت متعلق به مهندس محمد شفیع خانی می باشد
© طراحی سایت و بهینه سازی : گروه طراحی سیرن