Hvordan Vindtunneller Arbejder

{h1}

Vindtunneler er de uheldige helte af aerodynamik, hvilket fører til sikrere fly, biler og rumfartøjer. Lær, hvordan vindtunneller virker.

Mennesket har altid misundnet fugle. Vi kan videregive den ormende del, men deres flyvebeføjelse hjalp med at gnister vores længsler for at svæve ind i himlen. I varierende grad har folk indset drømmen om flyvning. Men 727'erne, missiler, rumskibe, ultrahurtige racerbiler, speedbåde, racercykler og lige typer computerchips kunne aldrig være blevet realiseret, hvis det ikke havde været for en relateret teknologisk udvikling - vindtunnelen.

Vindtunneler bruges af ingeniører til at teste aerodynamikken for mange objekter, fra jetvinger til bilruder. Aerodynamik som videnskab studerer luftstrømmen eller gassen omkring et objekt i bevægelse. Med en bedre forståelse af, hvordan luften flytter rundt (eller gennem) objekter, kan fabrikanter udtænke og skabe hurtigere, sikrere, mere pålidelige og mere effektive produkter af enhver art.

Fra svingende, ustabile briser til orkanstyrkestråler er Moder Jordens vind en notorisk svag tilstand, og dermed næsten værdiløs for aerodynamisk testning. Vindtunneler, derimod, giver et kontrolleret miljø til denne form for test.

Vindtunneller er simpelthen hule rør; i den ene ende har de kraftige fans, der skaber en luftstrøm inde i tunnelen. Nogle tunneler er skrivebordsmæssige og gode til at teste kun meget små objekter. Andre tunneler er massive strukturer, hvor ingeniører tester fly og biler i fuld størrelse. Selv om testmaterialerne (normalt) forbliver stationære, gør hurtig luftstrøm inde i tunnelen det som om objekter bevæger sig.

Typisk er der sensorer og instrumenter inden for vindtunneler, der giver forskere hårde data om en objekts interaktion med vind. Og ofte er der vinduer, der lader de samme forskere observere eksperimenter visuelt. Med disse data og observationer går ingeniører med variabler af aerodynamik, såsom tryk, hastighed, temperatur og tæthed. De måler løft, træk, stødbølger og andre forhold, der påvirker fly og andre modstridninger, der går gennem vinden. Derudover kan disse tunneler hjælpe ingeniører med at finde ud af, hvordan vinden interagerer med stationære genstande, såsom bygninger og broer, og finde måder at gøre dem stærkere og sikrere.

Kort sagt er mange af vores moderne marveler mere avancerede takket være vindtunneler. Men det var drømmen om flyvning, der først gav vejret til disse breezy maskiner. Derefter læser du, hvordan vindtunneler ankom på scenen og præcis hvordan de virker. Få et dobbeltfistet greb på din hat først, fordi det er et emne der kan blæse dig væk.

Blæser i en New Age

Det første fly- og svæveflydesign havde mange fugleagtig egenskaber. Vindtunneller viste, at mange af disse ideer var ret fuglehugget.

Det første fly- og svæveflydesign havde mange fugleagtig egenskaber. Vindtunneller viste, at mange af disse ideer var ret fuglehugget.

I håb om at tage mennesker til himlen, forsøgte tidlige fly ingeniører at følge fugleeksemplet. Leonardo da Vinci skitserede for eksempel en såkaldt "ornithopter" i 1485. Men vores vingerede venner viste sig mindre end hjælpsomme, når det drejede sig om at afsløre flyets hemmeligheder. Talrige opfindere fremstillede fugleinspirerede maskiner, kun for at se dem flop rundt hjælpeløst i snavs.

Det blev klart, at for at mennesker kunne flyve, havde de brug for en bedre forståelse af samspillet mellem vinger og vind. Så gik disse fledende flyvesangere på jagt efter hilltops, dale og huler med kraftige, lidt forudsigelige vinde. Men naturlige vinde leverede ikke den konstante strøm, der kunne tilbyde nyttig design feedback - kunstige vinde var nødvendige.

Indtast de hvirvlende arme. I 1746 fik Benjamin Robins, en engelsk matematiker og videnskabsmand, en horisontal arm til en lodret stang, som han roterede og sendte armen i en cirkel. Ved enden af ​​armen anbragte han en række objekter og udsatte dem for kræfterne i sin hjemmelavede centrifuge. Hans test bekræftede straks, at formen af ​​ting havde en enorm effekt på luftmotstanden (også kendt som drag, et element af aerodynamisk kraft).

Andre eksperimenter, som f.eks. Sir George Cayley, byggede snart hvirvlende arme. Cayley, især testet airfoil figurer, der så meget som et tværsnit af en flyfløj, for at undersøge principper for træk og løfte op. Løft er et kraftelement, som bevæger sig vinkelret på retningen af ​​en objekts bevægelse.

Den roterende arm havde imidlertid en alvorlig bivirkning, idet den hakkede op i luften, da den spundede, hvilket grundlæggende skabte en stor turbulens, der i høj grad påvirker alle resultater og observationer. Men armen resulterede i et monumental gennembrud: Ingeniører begyndte at indse, at ved hurtigt at fremstille et objekt gennem luften kunne de udvikle lift. Det betød, at det ikke var nødvendigt at bygge fladvinger for at kunne flyve. I stedet havde mennesker brug for tilstrækkelig kraft og den rigtige slags vingekonstruktion. Forskere havde brug for bedre undersøgelsesværktøjer til at udarbejde disse vigtige spørgsmål. Vindtunneller var svaret.

På den næste side finder du ud af, hvordan spindearme udviklede sig til vindtunneler - og du vil se, hvordan disse tunneler var medvirkende til en af ​​de største teknologiske resultater i menneskehedens historie.

The Whirling Winds of Change

Vindtunnelen Wright Brothers bygget hjalp med at ændre den menneskelige teknologiske historie.

Vindtunnelen Wright Brothers bygget hjalp med at ændre den menneskelige teknologiske historie.

Fordi hvirvlende arme hugget luften og skabte vågne, der ugyldigede mange eksperimenter, havde forskere brug for roligere, kunstige vinde. Frank H.Wenham, en englænder aktiv med Aeronautical Society of Great Britain, overbeviste organisationen om at hjælpe med at finansiere opførelsen af ​​den første vindtunnel, som debuterede i 1871.

Wenhams tunnel var 12 fod (3,7 meter) lang og 18 inches (45,7 centimeter) kvadrat. Det producerede vindmøller på 40 km per time (64 kilometer per time) takket være en dampdrevet ventilator i enden af ​​tunnelen. I sin tunnel testede Wenham virkningerne af løft og træk på luftplader af forskellig form. Da han flyttede forkanten (kaldet forkant) på airfoil op og ned, ændre hvad der hedder angrebsvinkel, han fandt ud af, at visse former resulterede i bedre løft end forventet. Man-drevet flyvning syntes pludselig mere muligt end nogensinde før.

Men tunnelens hårde design skabte vind, der var for ustabile for konsekvente testresultater. Der kræves bedre tunneler til systematisk test og pålidelige resultater. I 1894 erstattede englænder Horatio Philips et dampinjektionssystem til fans, hvilket resulterede i en mere stabil og mindre turbulent luftstrøm.

På tværs af Atlanterhavet, Ohio, Wright-brødrene Orville og Wilbur fulgte udviklingen inden for aerodynamikstudier og fremkalder ideer til svæveflydesign. Men virkelige test af deres modeller viste sig at være for tidskrævende; det gav heller ikke dem tilstrækkelige data til at forbedre deres planer.

De vidste, at de havde brug for en vindtunnel. Så efter en smule tinkering konstruerede de en tunnel med en 16 tommer (40,6 centimeter) testafdeling. De eksperimenterede med omkring 200 forskellige typer vingeformer ved at fastgøre airfoils til to balancer - en til træk og en til løft. Balancerne konverterede flydende ydeevne til målbar mekanisk handling, som brødrene brugte til at afslutte deres beregninger.

Langsomt arbejdede de for at finde den rigtige kombination af træk og løft. De begyndte at indse, at smalle, lange vinger resulterede i langt mere lift end korte, tykke vinger, og i 1903 betalte deres omhyggelige vindtunneltestning af. Wright-brødrene fløj den første bemandet, drevne flyvemaskine i Kill Devil Hills, N.C. En ny tidsalder for teknologisk innovation var begyndt, stort set takket være vindtunneler.

Dernæst vil du se præcis, hvordan vindtunneller arbejder deres usynlige magi og hjælper med at blæse menneskeheden ind i en ny teknologisk æra.

Wind Tunnel Inner Workings

Her er et praktisk diagram, der kan hjælpe dig med at visualisere komponentdelen af ​​en vindtunnel.

Her er et praktisk diagram, der kan hjælpe dig med at visualisere komponentdelen af ​​en vindtunnel.

De første vindtunneller var kun kanaler med ventilatorer i den ene ende. Disse tunneler gjorde hakket, ujævn luft, så ingeniører arbejdede støt for at forbedre luftstrømmen ved at tilpasse tunnellayouterne. Moderne tunneler giver en meget glattere luftmængde takket være et grundlæggende design, der indeholder fem grundlæggende sektioner: sedimenteringskammeret, kontraktionskeglen, prøvesektionen, diffusoren og kørselsafsnittet.

Luft er et hvirvlende kaotisk rod, når det kommer ind i tunnelen. Det bosætningskammer gør præcis hvad dets navn betyder: Det hjælper med at afregne og rette luften, ofte ved brug af paneler med honningkageformede huller eller endda en maskeret skærm. Luften bliver straks tvunget gennem kontraktionskegle, et indsnævret rum, der i høj grad øger luftstrømshastigheden.

Ingeniører placerer deres skalerede modeller i test sektion, hvor sensorer registrerer data og videnskabsmænd gør visuelle observationer. Luften strømmer derefter ind i diffuser, som har en konisk form, der udvider og således forsinker luftens hastighed jævnt uden at forårsage turbulens i testafsnittet.

Det drev sektion huser den aksiale ventilator, der skaber højhastighedstypen luftstrøm. Denne ventilator er altid placeret nedstrøms for testafsnittet, ved enden af ​​tunnelen, snarere end ved indgangen. Denne opsætning gør det muligt for ventilatoren at trække luft ind i en glat strøm i stedet for at skubbe den, hvilket vil resultere i meget choppere luftstrøm.

De fleste vindtunneler er lige lange, lige kasser eller åbne kredsløb (åbent retur) tunneler. Men nogle er bygget i lukket kredsløb (eller lukket retur), som i grunden er ovaler, der sender luften rundt omkring samme vej, som et løbebane, ved hjælp af skovle og honningkagepaneler for præcist at styre og styre strømmen.

Tunnelvæggene er yderst glatte, fordi eventuelle ufuldkommenheder kan fungere som hastighedsstød og forårsage turbulens. De fleste vindtunneler er også moderat størrelse og små nok til at passe ind i et universitets videnskabslaboratorium, hvilket betyder, at testobjekter skal skaleres ned for at passe ind i tunnelen. Disse skala modeller kan være hele flyvemaskiner i miniature, bygget (med stor omkostning) med krævende præcision. Eller de kan bare være en enkelt del af en flyvemaskinefløj eller et andet produkt.

Ingeniører monterer modeller i testafsnittet ved hjælp af forskellige metoder, men modellerne holdes som regel stationære ved hjælp af ledninger eller metalpoler, som er placeret bag modellen for at undgå forstyrrelser i luftstrømmen. De kan tilslutte sensorer til modellen, der registrerer vindhastighed, temperatur, lufttryk og andre variabler.

Fortsæt med at læse for at lære mere om, hvordan vindtunneler hjælper forskere med at sammenlægge mere komplicerede aerodynamiske puslespil og hvordan deres resultater stimulerer teknologiske fremskridt.

Røg på luftstrømmen

Røg giver flowvisualisering, så forskere kan se, hvordan luft flytter sig omkring testobjektet.

Røg giver flowvisualisering, så forskere kan se, hvordan luft flytter sig omkring testobjektet.

Løft og træk er kun to elementer af aerodynamikstyrker, der kommer til spil i en vindtunnel. For især flyprøvning er der snesevis af variabler (som tonehøjde, yaw, roll og mange andre), der kan påvirke udfaldet af eksperimenter.

Andre faktorer kommer også i spil under test, uanset hvad testemnet kan være. For eksempel er kvaliteten af ​​luften i tunnelen foranderlig og har en stor betydning for testresultaterne.Ud over at forsigtigt måle objektets form og hastighed (eller vinden blæser forbi objektet) skal testerne overveje viskositet (eller tackiness) og kompressionsevne (bounciness) af luften under deres forsøg.

Du tænker normalt ikke på luft som et klæbrigt stof, men når luft flytter sig over et objekt, rammer dets molekyler sin overflade og klamrer sig til det, hvis det kun er et øjeblik. Dette skaber en grænselag, et lag luft ved siden af ​​objektet, der påvirker luftstrømmen, ligesom objektet selv gør. Højde, temperatur og andre variabler kan påvirke viskositeten og komprimerbarheden, som igen ændrer egenskaberne for træklag og træk og aerodynamikken af ​​testobjektet som helhed.

At finde ud af, hvordan alle disse forhold påvirker testobjektet kræver et system af sensorer og computere til logning af sensordata. Pitot rør bruges til at måle luftstrømshastigheden, men avancerede tunneler implementeres laser anemometre der registrerer vindhastigheden ved at "se" luftbårne partikler i luftstrømmen. Trykprober overvåge lufttryk og vanddamptryk sensorer sporer luftfugtighed.

Udover sensorer er visuelle observationer også yderst nyttige, men for at gøre luftstrømmen synlig, er forskere afhængige af forskellige flow visualisering teknikker. De kan fylde testafsnittet med farvet røg eller en fin væskemåge, som f.eks. Vand, for at se, hvordan luften bevæger sig over modellen. De kan anvende tykke, farvede olier på modellen for at se, hvordan vinden skubber olien langs modelens overflade.

Højhastigheds videokameraer kan registrere røg eller olier, når de bevæger sig for at hjælpe forskere med at finde spor, der ikke er indlysende for det blotte øje. I nogle tilfælde bruges lasere til at belyse tåge eller røg og afsløre luftstrøm detaljer.

Vindtunneller tilbyder uendelige konfigurationer til test af ubegrænsede ideer og koncepter. Fortsæt med at læse, og du vil se de vildt fantasifulde tunneler, som ingeniører bygger, når de finder pengene for at gøre en ide om en ide til et fuldt teknologisk vejr.

Vindtunneller fra A til Z

Supersoniske og hypersoniske tunneler bruger ikke fans. For at generere disse breakneck-lufthastigheder bruger forskere trykluftblæsninger, der er opbevaret i trykbeholdere placeret opstrøms for testafsnittet, hvorfor de nogle gange kaldes blæse ned tunneler. På samme måde kaldes hypersoniske tunneler undertiden chokrør, en henvisning til de kraftige, men meget korte blaster, de producerer. Begge har enorme strømkrav, som generelt gør dem bedst til korte eller intermitterende tests.

Lufttrykfunktioner differentierer også vindtunneler. Nogle tunneler har kontroller til at sænke eller hæve lufttrykket. For eksempel kunne NASA i forsøgspladskøretøjer oprette en tunnel for at efterligne Mars-lavtryksatmosfæren.

Du kan også kategorisere tunneler efter størrelse. Nogle er forholdsvis små og er således kun nyttige til test af nedskalerede modeller eller dele af en genstand. Andre er fuldskala og store nok til at teste køretøjer i fuld størrelse.

Og nogle vindtunneler er bare... ja, rigtig store.

NASAs Ames Research Center, nær San Jose, Californien, er hjemsted for verdens største vindtunnel. Den er omkring 180 fod (54,8 meter) høj, mere end 1.400 fod (426,7 meter) lang, med en testafsnit, der er 24 meter høj og 120 fod (36,5 meter) bred, stor nok til at rumme et fly med en 100 -foot (30 meter) wingspan. Tunnelen bruger seks, fire-etagers høje fans, hver drevet af seks 22.500 hestekræfter, der kan køre vind til 115mph (185 km / t).

Størrelse er ikke den eneste faktor i ekstraordinære vindtunneler. Fortsæt læsning, og du vil finde ud af, hvor moderne nogle af disse tunneler virkelig er.

DIY Whirlwinds

Vindtunneller er ikke kun for fordele. Du kan finde planer online for at opbygge din egen vindtunnel hjemme eller endda købe kits med alle nødvendige dele inkluderet. Der er mange typer vindtunneler til alle mulige forskellige formål. Disse tunneler er kategoriseret efter deres egenskaber, såsom den vindhastighed, de genererer i testsektionen.

Subsonic Vindtunneler test objekter med luftstrømme på mindre end 250mph (402 kph). transonic tunneler dækker tunneler dækker en vindhastighed rækkevidde på 250mph til 760mph (1.223 kph).

Supersonic tunneler frembringer vind hurtigere end lydens hastighed (768 mph eller 1,235,9 kph). hypersonisk tunneler skaber skræmmende hurtige vindsprænger på 3.800 mph til 11.400 mph (6 115.5 kph til 18.346,5 kph) - eller endnu hurtigere.

Wicked Wind Tunnels

General Motors ejer verdens største vindtunnel dedikeret til automatisk test. Ventilatoren har en diameter på 43 fod (13 meter).

General Motors ejer verdens største vindtunnel dedikeret til automatisk test. Ventilatoren har en diameter på 43 fod (13 meter).

Ingeniører skal ofte teste flere aerodynamiske og miljømæssige variabler samtidigt. Derfor tilbyder nogle tunneler et bredt udvalg af testmuligheder på et enkelt sted. Den store Wien-vindtunnel, der hovedsagelig anvendes til bil- og jernbaneprøvning, er en sådan tunnel. Testsektionen alene er 328 fod (100 meter) lang, gennem hvilken vindhastigheder på op til 186 mph (299 kph) flow.

Ingeniører kan justere relativ fugtighed fra 10 til 98 procent og skubbe temperaturer fra så lavt som -49 grader til 140 grader Fahrenheit (-45 til 60 Celsius). Trods navnet hedder Wien Climatic Tunnel komplet med regn-, sne- og isfunktioner i tillæg til solens eksponeringssimulatorer.

Især kapacitetsevne har især været en kritisk komponent i vindtunneler i årtier, fordi isopbygning på flyets overflader kan være katastrofalt, hvilket får et fly til at gå ned. Sprængtunneller har kølesystemer, der afkøler luften og derefter sprøjter fine dråber vand ind i luftstrømmen, hvilket giver en glasur på testmodellerne.Ingeniører kan så tinker med løsninger til modisopbygning, for eksempel ved at installere varmesystemer, der opvarmer overfladerne af planet.

Der er mange andre tunneltyper designet til specifikke formål. Nogle designs hopper over poler eller ledninger til sikring af modellen og i stedet bruger kraftige magneter, der suspenderer metalliske modeller i testafsnittet. Andre leverer fjernbetjeningskabler, som gør det muligt for forskere at "flyve" et modelfly inden for testområdet.

University of Texas i Arlington's Aerodynamics Research Center har det, der kaldes en buejetunnel, der genererer supersoniske strømme af meget varm gas ved temperaturer op til 8.540 grader Fahrenheit (4.727 Celsius). Disse temperaturer er specielt nyttige til NASA, som undertrykker sit rumfartøj til høj varme, da de genindtræder Jordens atmosfære.

Nogle tunneler udelader helt luft og i stedet bruger vand. Vand strømmer meget som luft, men det har større densitet end luft og er også mere synlig. Disse egenskaber hjælper forskere med at visualisere strømningsmønstre omkring ubåde og skibskrog, eller endnu bedre se shockwaves skabt af meget hurtige fly og missiler.

Så hvad er meningen med at blæse hele denne varme og kølige luft rundt, alligevel? Det er ikke kun sådan, at forskere kan få deres geek på - på næste side kan du se, hvordan vindtunneller hjælper os med at gøre meget mere end at flyve.

Rekreative udkast

Vertikale vindtunneller (eller VWT'er) viser, at vindtunneller ikke kun er til arbejde. VWT'er lader folk skydive indendørs (også kaldet bodyflying), en god måde for nybegyndere og proffer både at lære at skydive sig sikkert og få en blast på samme tid.

Vindtunneler beviser deres værd

Vertikale vindtunneler, som denne i Kina, giver skydivers praksis deres teknikker indendørs.

Vertikale vindtunneler, som denne i Kina, giver skydivers praksis deres teknikker indendørs.

Ingeniører og fremstillingsspecialister bruger vindtunneler til at forbedre ikke blot fly og rumfartøjer, men også et bredt sortiment af industrielle og forbrugerprodukter. Bilproducenter er især afhængige af vindtunneler.

General Motors Aerodynamics Laboratory har den største vindtunnel til at studere bil aerodynamik. Siden bygningen af ​​tunnelen for tre årtier siden har virksomhedens ingeniører reduceret dragekoefficienten på deres køretøjer med omkring 25 procent. Den slags forbedring øger brændstoføkonomien med to til tre miles per gallon.

Race-bilproducenter bruger tunnellerne til at forbedre bil aerodynamik, især hastighed og effektivitet, for at hjælpe dem med at få en konkurrencemæssig fordel. AeroDyn Wind Tunnel er for eksempel placeret i North Carolina og har specialiseret sig i at teste fuldstørrelses NASCAR stockbiler og andre racerbiler og lastbiler. Et andet firma kaldet Windshear, opererer også i North Carolina og ejer en avanceret lukket kredsløbstunnel med en indbygget rullende vej, der stort set er en stor løbebånd til biler.

Elektronikingeniører bruger små vindtunneler til at se, hvordan luftstrøm påvirker varmeopbygning i komponenter. Så kan de designe køligere computerchips og bundkort, der holder længere. Utilities ledere bruger vind tunneler til at teste vindmøller bruges til at generere elektricitet. Vindtunneler hjælper turbinerne og deres knive mere effektive, effektive og holdbare, så de kan modstå konstante, kraftfulde vindstød. Men vindtunneler hjælper også ingeniører med at bestemme vindmølleplanlægninger og turbineafstand, for at maksimere effektiviteten, samtidig med at der minimeres strømforsyningsturbulens.

Vindtunneller og testmodeller er ikke billige at bygge. Derfor deaktiverer flere og flere organisationer deres vindtunneler og skifter til computermodellering (også kaldet beregningsfluid dynamik), som nu ofte bruges i stedet for fysiske modeller og tunneler. Desuden lader computere justere uendelige variabler af modellen og testsektionen uden tidskrævende (og dyrt) manuel arbejdskraft. Fysiske tunneler bruges nogle gange kun til at genoptage resultaterne af computermodellering.

Konstruktionsingeniører bruger computermodellering til testteknik til at hjælpe dem med at designe og bygge skyskrabere, broer og andre strukturer. De undersøger samspillet mellem bygningsformer og materialer og vind for at gøre dem mere sikre og stærkere.

I øjeblikket er vindtunneler stadig i aktiv brug over hele verden, hvilket hjælper forskere med at skabe sikrere og mere effektive produkter og køretøjer af alle typer. Og selvom nyere virtuelle teknologier i sidste ende erstatter fysiske vindtunneler, vil disse marmoraler altid have plads i menneskehedens historie.


Video Supplement: Banecykling: Sådan arbejder vi med vindmodstand.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com