تونل باد

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مکانیک

تونل باد را می‌توان به عنوان یک محفظه بسیار بزرگ معرفی کرد که جریان هوا در آن با سرعت مشخصی در حال حرکت است. یکی از کاربردهای تونل باد، شبیه‌سازی وضعیت پرواز است. در این حالت، محققین از تونل باد برای فهم دقیق شیوه پرواز هواپیما، استفاده می‌کنند. برای مثال شرکت «ناسا» (NASA) با انجام آزمایش روی مدل‌های کوچک هواپیما و فضاپیما در تونل‌های باد، به پیشرفت علم هوافضا و آیرودینامیک کمک بسیار زیادی کرده است.

برخی از تونل‌های باد، به اندازه کافی بزرگ هستند و به کمک آن‌ها می‌توان اجسام با اندازه واقعی را مورد آزمایش قرار داد. تونل باد، جریان هوا را از اطراف جسمی مانند هواپیما عبور می‌دهد و در این حالت، تصور می‌شود که این جسم به صورت واقعی در حال پرواز است. در واقع در حالت واقعی، جسم در هوا حرکت می‌کند و در تونل باد، هوا روی جسم در حال حرکت است. در هر دو حالت ذکر شده، سرعت نسبی جسم و هوا نسبت به یکدیگر یکسان هستند.

در مکانیک سیالات دو راه برای محاسبه پارامترهای مختلف میدان جریان سیال مانند سرعت و فشار موجود است. راه اول حل عددی معادلات ناویر استوکس و پیوستگی در علم دینامیک سیالات محاسباتی است که این حل‌های عددی با استفاده از روش‌های مختلف مانند روش تفاضل محدود، روش حجم محدود و المان محدود انجام می‌شوند. راه دوم نیز انجام آزمایشات تجربی در تونل‌های باد و یا محیط‌های آزمایشگاهی دیگر است.

تونل باد چگونه کار می‌کند؟

اکثر مواقع، فن‌های قدرتمندی باعث جریان یافتن هوا در تونل باد می‌شوند. فن، یک توربوماشین است که سیال کاری آن، هوا در نظر گرفته می‌شود. جسم مورد آزمایش در تونل باد، در یک نقطه ثابت شده و قابلیت حرکت ندارد. این جسم می‌تواند یک مدل کوچک از ماشین و یا یک قسمت جزئی آن و یا حتی یک هواپیما و فضاپیما، با اندازه واقعی باشد. جسم قرار گرفته در تونل باد را می‌توان یک مدل رایج واقعی مانند توپ تنیس نیز در نظر گرفت. در این حالت، هوای عبوری از اطراف جسم ساکن در تونل باد، نماینده خوبی برای بیان حالتی است که جسم در دنیای واقعی، درون هوا حرکت می‌کند.

برای نشان دادن شیوه تغییراتی که روی هوا اطراف جسم صورت می‌گیرد، از «دود» (Smoke) استفاده می‌شود. دود همراه جریان اطراف جسم حرکت می‌کند و شیوه تغییرات جریان را نمایش می‌دهد. این مورد در شکل زیر نشان داده شده است. گردابه‌ها و جریان دنباله‌ای پشت این توپ تنیس به وضوح در این شکل قابل رویت هستند.

در واقع به صورت کلی می‌توان بیان کرد که تونل باد، ابزاری است که از آن برای مطالعه برخورد هوا با یک جسم استفاده می‌شود. همانطور که بیان شد، مدل در مقطع تست تونل باد به صورت ساکن قرار داده شده است، بنابراین نیروی لیفت و درگ وارد بر آن را می‌توان به راحتی با محاسبه میزان نیروی کششی در راستاهای مختلف آن مقطع ثابت، اندازه‌گیری کرد.

برای اندازه‌گیری خطوط جریان و «آشفتگی» (Turbulence) موجود در سطح، می‌توان از روغن‌های رنگی و یا خاک رس استفاده کرد. همچنین خطوط جریان در نقاط کمی دورتر از سطح را می‌توان با استفاده از تزریق دود نمایش داد. تونل‌های باد پیشرفته با استفاده از «اثر داپلر» (Doppler Effect) و یا دوربین‌هایی با سرعت ضبط تصویر بالا، جریان هوا اطراف جسم را به نمایش می‌گذارند. شکل زیر روش «سرعت سنجی تصویری ذرات» (Particle Image Velocimetry) را به تصویر کشیده است. این روش به صورت خلاصه با نماد PIV نمایش داده می‌شود.

در روش PIV، قسمتی از جریان عبوری از روی جسم با لیزر روشن و در فواصل زمانی کوتاه به کمک دوربین سریع تصویر برداری می‌شود. در نهایت، تحلیل این تصاویر با استفاده از نرم‌افزارهای پردازش تصویر صورت می‌پذیرد و با استفاده از این تحلیل‌ها، میدان جریان اطراف جسم محاسبه می‌شود. در واقع به صورت خلاصه در این روش، ابتدا باید با استفاده از پردازش تصویر، میزان جابه‌جایی تک تک ذرات در یک فاصله زمانی مشخص را محاسبه کرد و بعد از آن با اندازه‌گیری حاصل تقسیم جابه‌جایی ذرات بر فاصله زمانی، سرعت هرکدام از ذرات را به دست آورد.

تونل‌های باد را می‌توان بر اساس شکل ظاهری به دو دسته کلی «تونل‌های باد مدار بسته» (Closed-Circuit Wind Tunnels) و یا «مدار باز» (Open-Circuit) تقسیم‌بندی کرد. همچنین بر اساس سرعت هوا، تونل باد به چهار دسته «زیر صوت» (Subsonic)، «نزدیک صوت» (Transonic)، «صوت» (Sonic)، «بالای صوت» (Supersonic) و «مافوق صوت» (Hypersonic) تقسیم می‌شوند.

همانطور که در مطالب قبلی وبلاگ فرادرس اشاره شد، عدد ماخ به صورت نسبت سرعت سیال به سرعت صوت در آن دما تعریف می‌شود. این موضوع را می‌توان با استفاده از رابطه زیر بیان کرد.

در این رابطه، u سرعت سیال و c سرعت صوت را نشان می‌دهند. در صورتی که عدد ماخ کمتر از 0.8 باشد، جریان به صورت زیر صوت است. اگر عدد ماخ در محدوده 0.8 تا 1.2 قرار بگیرد، جریان حاصل جریان نزدیک صوت نامیده می‌شود. در صورتی که عدد ماخ بین 1.2 تا ۵ قرار بگیرد جریان را بالای صوت می‌نامند و جریان با عدد ماخ در محدوده ۵ تا ۱۰ مافوق صوت نامیده می‌شود.

یکی دیگر از انواع دسته‌بندی‌های تونل‌های باد، دسته‌بندی بر اساس فشار هوا است. در این حالت، تونل‌های باد شامل دو دسته «اتمسفری» (Atmospheric) و «چگالی متغیر» (Variable- Density) هستند.
هوای تونل باد در سرعت‌های کمتر از سرعت صوت با استفاده از فن‌های بزرگ تولید می‌شود. در سرعت بالاتر از سرعت صوت، از دو روش می‌توان برای ایجاد جریان هوا استفاده کرد. روش اول، تزریق جریان هوای فشرده از یک مخزن هوای فشرده در بالادست تونل باد است و در روش دوم از یک «تانک خلا» (Vacuum Tank) که در انتهای تونل باد قرار داده شده، استفاده می‌شود. در برخی از موارد نیز برای تولید یک سرعت مافوق صوت (سرعت جریان هوا در این حالت حداقل پنج برابر سرعت صوت است) از ترکیب این دو روش استفاده می‌شود.

اجزای اصلی تونل باد، شامل «مخروط ورودی» (Entrance Cone)، مقطع تست (Test Section)، «ناحیه عبور» (Regain Passage)، «موتور یا ملخ» (Propeller or Motor) و «ناحیه بازگشت» (Return Passage) است. «مستقیم‌کننده‌های جریان» (Flow Straighteners)، «پره‌های زاویه‌دار» (Corner Vanes)، «ردیف‌های هانی کامب» (Honeycomb Layers) که برای کاهش آشفتگی جریان استفاده می‌شوند، «مبدل‌های حرارتی هوا» (Air Heat Exchangers) و «دیفیوزرها» (Diffusers) نیز اجزای دیگری هستند که در تونل‌های باد مشاهده می‌شوند.

فشار سطح جسم در تونل‌های باد با استفاده از ایجاد حفره‌های کوچک روی سطح جسم و یا با استفاده از «لوله پیتوت» (Pitot Tubes) قابل اندازه‌گیری است. نیروهایی که به مدل وارد می‌شود را می‌توان با استفاده از اندازه‌گیری پارامترهای مختلف جریان در بالادست و پایین دست مدل، محاسبه کرد. با استفاده از لوله پیتوت می‌توان علاوه بر اندازه‌گیری فشار، سرعت جریان در بالا دست را نیز به شکل زیر به دست آورد.

تونل‌ باد و ورزش

امروزه تونل‌های باد در ورزش‌های گوناگونی مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آن‌ها سرعت ورزشکار، پارامتر بسیار مهم برای برنده شدن است. مسابقات موتورسواری، اتومبیل‌رانی، دوچرخه سواری، اسکی و قایقرانی، فقط بخشی از مثال‌هایی هستند که در آن‌ها از تونل باد برای کاهش تنها چند میلی ثانیه زمان استفاده می‌شود. در واقع شبیه‌سازی مسابقه و پرواز با استفاده از تونل باد و در نهایت اصلاح طراحی و ساخت، بسیار راحت‌تر از زمانی است که تست در محیط بیرون و واقعی انجام می‌شود.

همانطور که می‌دانید اکثر اتومبیل‌ها نیروی لیفت تولید می‌کنند. در این حالت، با افزایش سرعت اتومبیل، نیروی لیفت آن نیز افزایش پیدا می‌کند و تحت این شرایط اتومبیل ناپایدار می‌شود. برای مقابله با این شرایط، بسیاری از اتومبیل‌ها طوری طراحی شدند که در هنگام حرکت، لیفت منفی تولید کنند.

خودروهای خانواده «سدان» (Sedan) ضریب لیفتی برابر با 0.3 دارند، این در حالی است که ضریب لیفت خودروهای فرمول یک در حدود 3.8 محاسبه شده است. تمامی این موارد را می‌توان در یک تونل باد مشاهده و اندازه‌گیری کرد و از نتایج آن برای طراحی بهتر استفاده کرد.

همانطور که می‌دانیم، ضریب لیفت و ضریب درگ، پارامترهای بی‌بعدی هستند که با استفاده از تحلیل ابعادی در مسائل مختلف محاسبه می‌شوند و می‌توان آن‌ها را به ترتیب با استفاده از روابط زیر اندازه‌گیری کرد.

در این رابطه Fl و Fd به ترتیب نیروی لیفت و درگ را نشان می‌دهند. ρ چگالی سیال را بیان می‌کند و A مساحت سطحی از جسم است که نیروی لیفت و درگ را تجربه می‌کند. تعریف درست این مساحت در علوم مختلف متفاوت است و به عنوان یک قرار داد در علوم مختلف برای نمایش ضریب لیفت و درگ در نظر گرفته می‌شود.

تونل‌های باد چگونه به طراحی فضاپیماها کمک می‌کنند؟

ناسا فضاپیماها و راکت‌ها را نیز با استفاده از تونل‌های باد مورد آزمایش قرار می‌دهد. همانطور که می‌دانید فضاپیماها، ماشین‌هایی هستند که برای عمل در فضا طراحی شدند و در فضا هیچ اتمسفری وجود ندارد. این ماشین‌ها برای آن‌که به فضا برسند، باید از اتمسفر عبور کنند. علاوه بر این، تمامی ماشین‌هایی که انسان‌ها را به فضا می‌برند، برای بازگشت به زمین نیز باید از اتمسفر عبور کنند.

ناسا برای تست کردن میزان امنیت فضاپیماهایی که انسان‌ها و تجهیزات را به فضا می‌برند، فضاپیماها را درون تونل باد مورد آزمایش قرار می‌دهد. نکته دیگر این است که، آزمایش تونل باد روی این ابزار و تجهیزات برای اطمینان از صحت کامل آن‌ها هنگام ورود به زمین نیز صورت می‌گیرد.

علاوه بر موارد ذکر شده، تونل‌های باد به مهندسان کمک می‌کند تا فضاپیماهایی را با طراحی مناسب جهت کار کردن در سیاره‌های دیگر، تولید کنند. برای مثال، مریخ اتمسفر سبکی دارد و شیوه رفتار فضاپیما در این شرایط، نقش بسیار مهمی در طراحی آن‌ها بازی می‌کند. بنابراین همانطور که اشاره شد، طراحی مناسب یک فضاپیما امری بسیار مهم است و باید طراحی فضاپیما طوری صورت بگیرد که در شرایط مختلف جو و تغییرات آن، عملکرد مناسبی از خود نشان بدهد و رسیدن به این هدف، جز با انجام آزمایشات مختلف در تونل‌های باد امکان پذیر نخواهد بود. بنابراین فضاپیما و چتر نجات مورد استفاده فضانوردان برای شبیه‌سازی شرایط اتمسفر مریخ، در یک تونل باد مورد آزمایش قرار می‌گیرند. شکل زیر مدل یک شاتل که در تونل باد مورد آزمایش قرار گرفته است را به تصویر کشیده است.

ناسا انواع مختلفی از تونل‌های باد را برای انجام آزمایش‌های گوناگون مورد استفاده قرار می‌دهد. برخی از این تونل‌های باد، اندازه‌ای برابر با چند سانتی متر مربع دارند و برخی از آن‌ها به اندازه‌ای بزرگ هستند که یک هواپیما با اندازه واقعی در آن تست می‌شود. عده‌ای از این تونل‌های باد، هوایپماها را در سرعت‌های بسیار پایین مورد آزمایش قرار می‌دهند و عده‌ای دیگر هواپیماها را در سرعت‌های مافوق صوت، تست می‌کنند.

همانطور که بیان شد، تونل باد، ابزاری است که از آن برای مطالعه برخورد هوا با یک جسم استفاده می‌شود و حضور تونل‌های باد، به طراحی و ساخت دقیق ابزارها و ماشین‌های مختلف در علم آیرودینامیک کمک بسیار زیادی کرده است. همچنین حضور این تونل‌ها باعث پیشرفت در ورزش‌هایی شده که سرعت در آن‌ها اهمیت بسیار زیادی دارد.