Túnel de vento

túneis de vento são máquinas nas quais os objetos são mantidos estacionários dentro de um tubo, e o ar é soprado ao seu redor para estudar a interação entre o objeto e o ar em movimento. Eles são usados para testar os efeitos aerodinâmicos de aeronaves, foguetes, carros e edifícios. Diferentes túneis de vento variam em tamanho de menos de um pé a mais de 30 metros (30 m) e podem ter ar que se move a velocidades de uma brisa leve para velocidades hipersônicas.

Geralmente, os grandes ventiladores movem o ar através do túnel de vento, enquanto o objeto que está sendo testado é mantido estacionário. O objeto pode ser um objeto de teste aerodinâmico, como um cilindro ou um aerofólio, um componente individual de uma aeronave, um pequeno modelo do veículo ou, nos maiores túneis, até em um veículo de tamanho completo. Diferentes medições podem ser realizadas nesses testes. As forças aerodinâmicas em todo o objeto podem ser medidas ou em componentes individuais dele. A pressão do ar em diferentes pontos pode ser medida com sensores. A fumaça pode ser introduzida no Airstream para mostrar o caminho que o ar segue ao redor do objeto. Ou, pequenos threads podem ser anexados a peças específicas para mostrar o fluxo de ar nesses pontos.

Os primeiros túneis de vento foram inventados no final do século XIX, nos primeiros dias da pesquisa aeronáutica, como parte do esforço para desenvolver máquinas voadoras mais pesadas do que o ar. O túnel de vento reverteu a situação usual. Em vez de o ar parado e uma aeronave se movendo, um objeto seria mantido parado e o ar se moveu ao redor dele. Dessa maneira, um observador estacionário poderia estudar o objeto voador em ação e poder medir as forças aerodinâmicas que atuam nele.

O desenvolvimento de túneis de vento acompanhou o desenvolvimento do avião. Grandes túneis de vento foram construídos durante a Segunda Guerra Mundial e, à medida que as aeronaves supersônicas foram desenvolvidas, túneis de vento supersônicos foram construídos para testá -los. O teste do túnel de vento foi considerado de importância estratégica durante a Guerra Fria para o desenvolvimento de aeronaves e mísseis.

Outros problemas também são estudados com túneis de vento. Os efeitos do vento nas estruturas artificiais precisam ser estudados quando os edifícios se tornaram altos o suficiente para serem significativamente afetados pelo vento. Os edifícios muito altos apresentam grandes superfícies ao vento, e as forças resultantes devem ser resistidas pela estrutura interna do edifício ou o edifício entrará em colapso. A determinação de tais forças era necessária antes que os códigos de construção pudessem especificar a força necessária de tais edifícios e esses testes continuam sendo usados para edifícios grandes ou incomuns.

O teste do túnel de vento foi aplicado pela primeira vez aos automóveis desde a década de 1920, em carros como o Rumpler Tropfenwagen e, mais tarde, o Fluxo de Ar Chrysler. Inicialmente, as montadoras testavam modelos de escala de seus carros, mas depois foram construídos túneis de vento automotivos em escala em grande escala. A partir da década de 1960, o teste do túnel de vento começou a receber ampla adoção para automóveis, não tanto para determinar as forças aerodinâmicas da mesma maneira que um avião, mas para aumentar a eficiência de combustível dos veículos, reduzindo o arrasto aerodinâmico. Nesses estudos, a interação entre a estrada e o veículo desempenha um papel significativo, e essa interação deve ser levada em consideração ao interpretar os resultados do teste. No mundo real, o veículo está se movendo enquanto a estrada e o ar estão estacionários. Em um teste de túnel de vento, a estrada também deve ser movida além de um veículo junto com o ar sendo soprado ao seu redor. Isso foi realizado com cintos em movimento sob o veículo de teste para simular a estrada em movimento, e dispositivos muito semelhantes são usados no teste do túnel de vento das configurações de decolagem e pouso de aeronaves.

Equipamento esportivo também estudou em túneis de vento, incluindo tacos de golfe, bolas de golfe, bobsleds, ciclistas e capacetes de carros de corrida. A aerodinâmica do capacete é particularmente importante em carros de corrida de cockpit, como IndyCar e Fórmula 1. As forças de elevação excessivas no capacete podem causar uma tensão considerável no pescoço no motorista, e a separação de fluxo na parte traseira do capacete pode causar buffer turbulento e, portanto, a visão borrada para o motorista em alta velocidade.

Os avanços na modelagem de dinâmica de fluidos computacionais (CFD) em computadores digitais de alta velocidade reduziu a demanda por testes de túnel de vento, mas não o eliminou completamente. Muitos problemas no mundo real ainda não podem ser modelados com precisão pelo CFD para eliminar a necessidade de testes físicos em túneis de vento.

Medição de forças aerodinâmicas

A velocidade e as pressões do ar são medidas de várias maneiras em túneis de vento.

A velocidade do ar através da seção de teste é determinada pelo princípio de Bernoulli. Medição da pressão dinâmica, a pressão estática e (somente para fluxo compressível) o aumento da temperatura no fluxo de ar. A direção do fluxo de ar ao redor de um modelo pode ser determinada por tufos de fios conectados às superfícies aerodinâmicas. A direção do fluxo de ar que se aproxima de uma superfície pode ser visualizada através da montagem de roscas no fluxo de ar à frente e depois do modelo de teste. A fumaça ou bolhas de líquido podem ser introduzidas no fluxo de ar a montante do modelo de teste, e seu caminho ao redor do modelo pode ser fotografado (consulte a velocimetria da imagem de partículas).

As forças

aerodinâmicas no modelo de teste são geralmente medidas com saldos de feixe, conectados ao modelo de teste com vigas, cordas ou cabos.

As distribuições de pressão em todo o modelo de teste foram historicamente medidas perfurando muitos pequenos orifícios ao longo do caminho do fluxo de ar e usando manômetros de vários tubos para medir a pressão em cada orifício. As distribuições de pressão podem ser mais convenientemente medidas pelo uso de tinta sensível à pressão, na qual uma pressão local mais alta é indicada pela fluorescência reduzida da tinta naquele ponto. As distribuições de pressão também podem ser convenientemente medidas pelo uso de cintos de pressão sensíveis à pressão, um desenvolvimento recente no qual vários módulos de sensor de pressão ultra-miniaturizados são integrados a uma tira flexível. A tira é anexada à superfície aerodinâmica com fita e envia sinais que representam a distribuição de pressão ao longo de sua superfície.

Distribuições de pressão em um modelo de teste também podem ser determinadas executando uma pesquisa Wake , na qual um único tubo Pitot é usado para obter várias leituras a jusante do modelo de teste, ou um tubo múltiplo O manômetro é montado a jusante e todas as suas leituras são realizadas.

As propriedades aerodinâmicas de um objeto não podem permanecer as mesmas para um modelo em escala. No entanto, ao observar certas regras de similaridade, uma correspondência muito satisfatória entre as propriedades aerodinâmicas de um modelo em escala e um objeto em tamanho real pode ser alcançado. A escolha dos parâmetros de similaridade depende do objetivo do teste, mas as condições mais importantes para satisfazer são geralmente:

• similaridade geométrica: todas as dimensões do objeto devem ser dimensionadas proporcionalmente.
• Número de Mach: a proporção da velocidade de ar para a velocidade do som deve ser idêntica para o modelo dimensionado e o objeto real (tendo o número Mach idêntico em um túnel de vento e em torno do objeto real não é igual a ter velocidades de ar idênticas).
• Número de Reynolds: a proporção de forças inerciais para forças viscosas deve ser mantida. Este parâmetro é difícil de satisfazer com um modelo em escala e levou ao desenvolvimento de túneis de vento pressurizados e criogênicos em que a viscosidade do fluido de trabalho pode ser grandemente alterada para compensar a escala reduzida do modelo.

Em certos casos de teste específicos, outros parâmetros de similaridade devem ser satisfeitos, como p. Número de Froude.

HISTÓRIA

Origens

Engenheiro militar inglês e matemático Benjamin Robins (1707-1751) inventaram um aparelho de braço giratório para determinar o arrasto e fizeram alguns dos primeiros experimentos na teoria da aviação.

Sir George Cayley (1773-1857) também usou um braço giratório para medir o arrasto e a elevação de vários aerofólios. Seu braço giratório tinha 1,5 m de comprimento e atingiu velocidades máximas entre 10 e 20 pés por segundo (3 a 6 m/s).

Otto lilienthal usou um braço rotativo para medir com precisão osfólios da asa com ângulos variados de ataque, estabelecendo seus diagramas polares da relação elevada-trag, mas não possuía as noções de números induzidos de arrasto e Reynolds.

No entanto, o braço giratório não produz um fluxo confiável de ar, impactando a forma do teste em uma incidência normal. As forças centrífugas e o fato de o objeto estar se movendo em seu próprio rasgado significa que o exame detalhado do fluxo de ar é difícil. Francis Herbert Wenham (1824-1908), um membro do conselho da Sociedade Aeronáutica da Grã -Bretanha, abordou essas questões inventando, projetando e operando o primeiro túnel de vento fechado em 1871. pelo uso desta ferramenta. Wenham e seu colega John Browning são creditados com muitas descobertas fundamentais, incluindo a medição dos índices L/D e a revelação dos efeitos benéficos de uma alta proporção.

Konstantin Tsiolkovsky construiu um túnel de vento de seção aberta com um soprador centrífugo em 1897 e determinou os coeficientes de arrasto de placas planas, cilindros e esferas.

O inventor dinamarquês Poul La Cour aplicou túneis de vento em seu processo de desenvolvimento e refinamento da tecnologia das turbinas eólicas no início da década de 1890. Carl Rickard Nyberg usou um túnel de vento ao projetar seu Flugan a partir de 1897 e em diante.

Em um conjunto clássico de experimentos, o inglês Osborne Reynolds (1842-1912) da Universidade de Manchester demonstrou que o padrão de fluxo de ar em um modelo de escala seria o mesmo para o veículo em larga escala se um determinado parâmetro de fluxo fosse o O mesmo em ambos os casos. Esse fator, agora conhecido como número de Reynolds, é um parâmetro básico na descrição de todas as situações de fluxo de fluido, incluindo as formas dos padrões de fluxo, a facilidade de transferência de calor e o início da turbulência. Isso compreende a justificativa científica central para o uso de modelos em túneis de vento para simular fenômenos da vida real. No entanto, existem limitações nas condições nas quais a similaridade dinâmica é baseada apenas no número de Reynolds.

Os irmãos Wright ' O uso de um túnel de vento simples em 1901 para estudar os efeitos do fluxo de ar em várias formas enquanto o desenvolvimento de seu panfleto de Wright foi, de certa forma, revolucionário. Pode -se ver do exposto, no entanto, que eles estavam simplesmente usando a tecnologia aceita do dia, embora essa ainda não fosse uma tecnologia comum na América.

Na França, Gustave Eiffel (1832-1923) construiu seu primeiro túnel de vento de retorno aberto em 1909, alimentado por um motor elétrico de 67 hp (50 kW), em Champs-de-Mars, perto do pé da torre que leva seu nome.

Entre 1909 e 1912, Eiffel realizou cerca de 4.000 testes em seu túnel de vento, e sua experimentação sistemática estabeleceu novos padrões para pesquisa aeronáutica. Em 1912, o laboratório de Eiffel foi transferido para Auteuil, um subúrbio de Paris, onde seu túnel de vento com uma seção de teste de dois metros ainda está operacional hoje. Eiffel melhorou significativamente a eficiência do túnel de vento de retorno aberto, envolvendo a seção de teste em uma câmara, projetando uma entrada alargada com um alisador de fluxo de favo de mel e adicionando um difusor entre a seção de teste e o ventilador localizado na extremidade a jusante do difusor; Este foi um arranjo seguido por vários túneis de vento depois construídos; De fato, o túnel de vento de baixa velocidade de retorno aberto é frequentemente chamado de túnel de vento do tipo Eiffel.

Uso generalizado

O uso subsequente de túneis de vento proliferou à medida que a ciência da aerodinâmica e a disciplina da engenharia aeronáutica foram estabelecidas e foram desenvolvidas viagens aéreas e energia.

A Marinha dos EUA em 1916 construiu um dos maiores túneis de vento do mundo na época no Washington Navy Yard. A entrada tinha quase 3,4 m de diâmetro e a parte de descarga tinha 2,1 m de diâmetro. Um motor elétrico de 500 hp (370 kW) levou as lâminas do tipo de paddle.

Em 1931, a NACA construiu um túnel de vento em escala de 30 por 60 pés (9,1 por 18,3 m) no Langley Research Center em Langley, Virgínia. O túnel foi alimentado por um par de ventiladores dirigidos por motores elétricos de 4.000 hp (3.000 kW). O layout era um formato de circuito duplo de retorno fechado e poderia acomodar muitas aeronaves reais em tamanho real, além de modelos de escala. O túnel acabou sendo fechado e, embora tenha sido declarado um marco histórico nacional em 1995, a demolição começou em 2010.

Até a Segunda Guerra Mundial, o maior túnel de vento mundial, construído em 1932-1934, estava localizado em um subúrbio de Paris, Chalais-Meudon, França. Ele foi projetado para testar aeronaves em tamanho real e tinha seis grandes ventiladores dirigidos por motores elétricos de alta potência. O túnel de vento Chalais-Meudon foi usado por Onera sob o nome S1CH até 1976 no desenvolvimento de, por exemplo, os aviões Caravelle e Concorde. Hoje, este túnel de vento é preservado como um monumento nacional.

Ludwig Prandtl foi o professor de Theodore von Kármán na Universidade de Göttingen e sugeriu a construção de um túnel de vento para testes de aeronaves que estavam projetando. A rua Vortex de turbulência a jusante de um cilindro foi testada no túnel. Quando ele se mudou para a Universidade Aachen, lembrou -se de usar esta instalação:

Lembrei-me que o túnel de vento em Göttingen foi iniciado como uma ferramenta para estudos de comportamento de Zeppelin, mas que tinha provado ser valioso para tudo o resto, desde determinar a direção de fumaça da pilha de um navio, para se um determinado avião voaria. O progresso em Aachen, eu senti, seria praticamente impossível sem um bom túnel de vento.

Quando von Kármán começou a consultar a Caltech, ele trabalhou com Clark Millikan e Arthur L. Klein. Ele se opôs ao design deles e insistiu em um fluxo de retorno, tornando o dispositivo#34; independente das flutuações da atmosfera externa " Foi concluído em 1930 e usado para testes alfa Northrop.

Em 1939, o general Arnold perguntou o que era necessário para avançar a USAF, e Von Kármán respondeu: "O primeiro passo é construir o túnel de vento certo." Por outro lado, após os sucessos do Bell X-2 e a perspectiva de pesquisas mais avançadas, ele escreveu, " eu era a favor de construir esse avião porque nunca acreditei que você pode obter todas as respostas de um túnel de vento. "

Segunda Guerra Mundial

Em 1941, os EUA construíram um dos maiores túneis de vento na época em Wright Field, em Dayton, Ohio. Este túnel de vento começa a 45 pés (14 m) e se estreita a 20 pés (6,1 m) de diâmetro. Dois ventiladores de 40 pés (12 m) foram acionados por um motor elétrico de 40.000 hp. Modelos de aeronaves em larga escala podem ser testados em velocidades de ar de 640 km/h.

Durante a Segunda Guerra Mundial, a Alemanha desenvolveu diferentes projetos de grandes túneis de vento para promover seu conhecimento de aeronáutica. Por exemplo, o túnel de vento em Peenemünde era um novo design de túnel de vento que permitiu pesquisas de fluxo de ar de alta velocidade, mas trouxe vários desafios de design em relação à construção de um túnel de vento de alta velocidade em escala. No entanto, usou com sucesso algumas grandes cavernas naturais que foram aumentadas de tamanho por escavação e depois seladas para armazenar grandes volumes de ar que poderiam ser encaminhados pelos túneis do vento. No final da guerra, a Alemanha tinha pelo menos três túneis de vento supersônicos diferentes, com um capaz de Futões de Airs Mach 4.4 (aquecidos).

Um grande túnel de vento em construção perto de Oetztal, a Áustria teria dois fãs diretamente dirigidos por duas turbinas hidráulicas de 50.000 cavalos de potência. A instalação não foi concluída até o final da guerra e o equipamento desmontado foi enviado para Modane, França, em 1946, onde foi reercado e ainda é operado lá pela Onera. Com sua seção de teste de 26 pés (8 m) e velocidade do ar até Mach 1, é a maior instalação de túnel de vento transônico do mundo.

Em 22 de junho de 1942, a Curtiss-Wright financiou a construção de um dos maiores túneis de vento subsônicos do país em Buffalo, NY. O primeiro concreto para a construção foi derramado em 22 de junho de 1942 em um local que acabaria se tornando Calspan, onde o túnel de vento ainda opera.

No final da Segunda Guerra Mundial, os EUA haviam construído oito novos túneis de vento, incluindo o maior do mundo em Moffett Field, perto de Sunnyvale, Califórnia, que foi projetado para testar aeronaves em tamanho real a velocidades inferiores a 250 mph (400 km/h) e um túnel de vento vertical em Wright Field, Ohio, onde o fluxo de vento está para cima para o teste de modelos em situações de rotação e os conceitos e projetos de engenharia para os primeiros helicópteros primitivos voam nos EUA.

Após a Segunda Guerra Mundial

Pesquisa posterior em fluxos de ar próximos ou acima da velocidade do som usou uma abordagem relacionada. As câmaras de pressão de metal foram usadas para armazenar ar de alta pressão, que foi acelerado através de um bico projetado para fornecer fluxo supersônico. A câmara de observação ou instrumentação (seção de teste ") foi então colocada no local adequado na garganta ou no bico para a velocidade do ar desejada.

Nos Estados Unidos, a preocupação com o atraso de instalações de pesquisa americana em comparação com as construídas pelos alemães levou à Lei do Plano de Túnel de Vento Unitário de 1949, que autorizou as despesas a construir novos túneis de vento em universidades e em locais militares. Alguns túneis de vento alemães de guerra foram desmontados para remessa para os Estados Unidos como parte do plano de explorar os desenvolvimentos tecnológicos alemães.

Para aplicações limitadas, a dinâmica computacional de fluidos (CFD) pode suplementar ou possivelmente substituir o uso de túneis de vento. Por exemplo, a nave espachipone experimental do plano de foguete foi projetada sem uso de túneis de vento. No entanto, em um teste, os threads de vôo foram anexados à superfície das asas, realizando um tipo de teste de túnel de vento durante um voo real para refinar o modelo computacional. Onde o fluxo turbulento externo está presente, o CFD não é prático devido a limitações nos recursos atuais da computação. Por exemplo, uma área que ainda é muito complexa para o uso de CFD é determinar os efeitos do fluxo nas estruturas e ao redor de estruturas, pontes e terrenos.

A maneira mais eficaz de fluxo turbulento externo simulativo é através do uso de um túnel de vento da camada limite.

Existem muitas aplicações para modelagem de túnel de vento da camada limite. Por exemplo, entender o impacto do vento em arranha-céus, fábricas, pontes etc. pode ajudar a construir os designers a construir uma estrutura que se destaca aos efeitos do vento da maneira mais eficiente possível. Outra aplicação significativa para a modelagem de túnel de vento da camada limite é para entender os padrões de dispersão de gases de escape para hospitais, laboratórios e outras fontes emissoras. Outros exemplos de aplicações de túnel de vento da camada limite são avaliações do conforto e à deriva da neve para pedestres. A modelagem do túnel de vento é aceita como um método para ajudar no projeto de construção verde. Por exemplo, o uso da modelagem de túnel de vento da camada limite pode ser usado como um crédito para a liderança na certificação Energy and Environmental Design (LEED) através do Conselho de Construção Verde dos EUA.

Os testes de túnel de vento em um túnel de vento da camada limite permitem o arrasto natural da superfície da Terra a ser simulado. Para precisão, é importante simular os efeitos médios do perfil de velocidade do vento e da turbulência na camada limite atmosférica. A maioria dos códigos e padrões reconhece que o teste do túnel de vento pode produzir informações confiáveis para os designers, especialmente quando seus projetos estão em terrenos complexos ou em locais expostos.

Nos Estados Unidos, muitos túneis de vento foram desativados de 1990 a 2010, incluindo algumas instalações históricas. É apresentada pressão sobre os túneis de vento restantes devido ao uso declinante ou irregular, altos custos de eletricidade e, em alguns casos, o alto valor do imóvel sobre o qual a instalação fica. Por outro lado, a validação do CFD ainda requer dados de túnel de vento, e é provável que seja o caso no futuro próximo. Estudos foram realizados e outros estão em andamento para avaliar as necessidades futuras do túnel de vento militar e comercial, mas o resultado permanece incerto. Mais recentemente, um uso crescente de veículos não tripulados instrumentados e movidos a jatos, ou drones de pesquisa, substituíram alguns dos usos tradicionais dos túneis de vento. O túnel de vento mais rápido do mundo a partir de 2019 é o túnel de vento Lens-X, localizado em Buffalo, Nova York.

como funciona

O ar é soprado ou sugado por um duto equipado com uma porta de visualização e instrumentação onde modelos ou formas geométricas são montadas para estudo. Normalmente, o ar é movido pelo túnel usando uma série de fãs. Para túneis de vento muito grandes com vários metros de diâmetro, um único ventilador grande não é prático e, portanto, uma variedade de ventiladores é usada em paralelo para fornecer fluxo de ar suficiente. Devido ao grande volume e velocidade do movimento do ar, os ventiladores podem ser alimentados por motores de turbofan estacionários, em vez de motores elétricos.

O fluxo de ar criado pelos ventiladores que está entrando no túnel é altamente turbulento devido ao movimento da lâmina do ventilador (quando o ventilador está soprando ar na seção de teste - quando está sugando ar da seção de teste a jusante, a turbulência do ventilador não é um fator) e, portanto, não é diretamente útil para medições precisas. O ar que se move através do túnel precisa ser relativamente livre de turbulência e laminar. Para corrigir esse problema, as palhetas de ar vertical e horizontal espaçadas estreitamente são usadas para suavizar o fluxo de ar turbulento antes de atingir o assunto do teste.

Devido aos efeitos da viscosidade, a seção transversal de um túnel de vento é tipicamente circular e não quadrada, porque haverá maior constrição de fluxo nos cantos de um túnel quadrado que pode tornar o fluxo turbulento. Um túnel circular fornece um fluxo mais suave.

O face interno do túnel é tipicamente o mais suave possível, para reduzir o arrasto e a turbulência da superfície que podem afetar a precisão do teste. Mesmo paredes lisas induzem um pouco de arrasto para o fluxo de ar e, portanto, o objeto que está sendo testado é geralmente mantido próximo ao centro do túnel, com uma zona de tampão vazia entre o objeto e as paredes do túnel. Existem fatores de correção para relacionar os resultados dos testes do túnel de vento aos resultados do ar livre.

A iluminação geralmente é incorporada nas paredes circulares do túnel e brilha através das janelas. Se a luz fosse montada na superfície interna do túnel de maneira convencional, a lâmpada geraria turbulência à medida que o ar sopra. Da mesma forma, a observação é geralmente feita através de vigias transparentes no túnel. Em vez de simplesmente serem discos planos, essas janelas de iluminação e observação podem ser curvas para corresponder à seção transversal do túnel e reduzir ainda mais a turbulência ao redor da janela.

Várias técnicas são usadas para estudar o fluxo de ar real em torno da geometria e compará -lo com os resultados teóricos, que também devem levar em consideração o número de Reynolds e o número Mach para o regime de operação.

Medições de pressão

A pressão nas superfícies do modelo pode ser medida se o modelo incluir torneiras de pressão. Isso pode ser útil para fenômenos dominados por pressão, mas isso explica apenas as forças normais no corpo.

Medições de força e momento

Com o modelo montado em um equilíbrio de força, pode -se medir os momentos de elevação, arrastar, forças laterais, guinada, rolagem e arremesso sobre uma variedade de ângulo de ataque. Isso permite produzir curvas comuns, como coeficiente de elevação versus ângulo de ataque (mostrado).

O equilíbrio de força cria arrasto e potencial turbulência que afetará o modelo e introduzirá erros nas medições. As estruturas de suporte são, portanto, tipicamente com formato suave para minimizar a turbulência.

Visualização de fluxo

Como o ar é transparente, é difícil observar diretamente o próprio movimento do ar. Em vez disso, vários métodos de métodos quantitativos e qualitativos de visualização de fluxo foram desenvolvidos para testes em um túnel de vento.

Métodos qualitativos

• Fumo
• injeção de dióxido de carbono
• Tufts, mini-tufts ou cones de fluxo podem ser aplicados a um modelo e permanecem ligados durante o teste. Tufts podem ser usados para medir padrões de fluxo de ar e separação de fluxo. Tufts são por vezes feitos de material fluorescente e são iluminados sob luz preta para ajudar na visualização.
• As suspensões de evaporação são simplesmente uma mistura de algum tipo ou pó fino, talco ou argila misturadas em um líquido com um baixo calor latente de evaporação. Quando o vento é ligado o líquido evapora rapidamente, deixando para trás a argila em um padrão característico do fluxo de ar.
• Óleo: Quando o óleo é aplicado à superfície do modelo pode claramente mostrar a transição do laminar para o fluxo turbulento, bem como a separação de fluxo.
• Tempera Paint: Similar ao óleo, a tinta tempera pode ser aplicada à superfície do modelo, aplicando inicialmente a pintura em pontos espaçados fora. Depois de executar o túnel do vento, a direção do fluxo e a separação podem ser identificadas. Uma estratégia adicional no uso da tinta tempera é usar luzes pretas para criar um padrão de fluxo luminoso com a tinta tempera.
• Fog (geralmente de partículas de água) é criado com um nebulizador piezoelétrico ultra-sônico. O nevoeiro é transportado dentro do túnel do vento (de preferência do circuito fechado e tipo de seção de teste fechado). Uma grade eletricamente aquecida é inserida antes da seção de teste, que evapora as partículas de água em suas proximidades, formando assim folhas de nevoeiro. As folhas de nevoeiro funcionam como aerodinâmicas sobre o modelo de teste quando iluminadas por uma folha de luz.
• Sublimação: Se o movimento do ar no túnel é suficientemente não-turbulento, um fluxo de partículas liberado no fluxo de ar não se romperá à medida que o ar se move ao longo, mas ficar juntos como uma linha fina afiada. Vários fluxos de partículas liberados de uma grade de muitos bicos podem fornecer uma forma tridimensional dinâmica do fluxo de ar em torno de um corpo. Como com o equilíbrio de força, esses tubos de injeção e bicos precisam ser moldados de uma forma que minimiza a introdução do fluxo de ar turbulento na corrente aérea.
• Sublimação (definição alternada): Uma técnica de visualização de fluxo é para revestir o modelo em um material sublimatable onde uma vez que o vento é ligado em regiões onde o fluxo de ar é laminar, o material permanecerá ligado ao modelo, enquanto, conversamente, em áreas turbulentas o material evaporará do modelo. Esta técnica é empregada principalmente para verificar que os pontos de viagem colocados na borda principal, a fim de forçar uma transição estão conseguindo com sucesso o objetivo pretendido.

Turbulência e vórtices de alta velocidade podem ser difíceis de ver diretamente, mas luzes estroboscópicas e câmeras de filme ou câmeras digitais de alta velocidade podem ajudar a capturar eventos que são um borrão a olho nu.

Câmeras de alta velocidade também são necessárias quando o sujeito do teste se move em alta velocidade, como uma hélice de avião. A câmera pode capturar imagens de stop motion de como a lâmina corta os fluxos de partículas e como os vórtices são gerados ao longo das bordas à direita da lâmina em movimento.

Métodos quantitativos

• Pintura sensível à pressão (PSP): PSP é uma técnica pela qual um modelo é pulverizado revestido com uma tinta que reage a variações na pressão alterando a cor. Em conjunto com esta técnica, as câmeras geralmente são posicionadas em ângulos de visão estratégicos através das paredes, teto e piso do túnel do vento para fotografar o modelo enquanto o vento está ligado. Os resultados fotográficos podem ser digitalizados para criar uma distribuição completa das pressões externas que atuam no modelo, e posteriormente mapeados em uma malha geométrica computacional para comparação direta com os resultados do CFD. As medições de PSP podem ser eficazes na captura de variações de pressão em todo o modelo, no entanto, muitas vezes exigem torneiras de pressão suplementares na superfície do modelo para verificar a magnitude absoluta dos coeficientes de pressão. Uma propriedade importante de pinturas PSP bem comportadas é que eles também devem ser insensíveis a efeitos de temperatura, uma vez que a temperatura dentro do túnel do vento pode variar consideravelmente após a execução contínua. As dificuldades comuns encontradas ao usar o PSP incluem a incapacidade de medir com precisão os efeitos de ponta e de ponta em áreas onde há alta curvatura devido a limitações nas câmeras capacidade de ganhar um ângulo de visão vantajoso. Além disso, a aplicação de PSP na borda principal às vezes é evitada porque introduz uma espessura finita que pode causar separação de fluxo precoce, assim, corrompendo resultados. Uma vez que as variações de pressão na borda principal são tipicamente de interesse primário, a falta de resultados precisos nessa região é muito problemática. Uma vez que um modelo é pintado com tinta sensível à pressão, certas tintas têm sido conhecidas por aderir e continuar a executar por uma questão de meses após inicialmente aplicado. Finalmente as tintas PSP têm sido conhecidas por ter certas características de frequência onde alguns exigem alguns momentos para estabilizar antes de alcançar resultados precisos, enquanto outros convergem rapidamente. Nas pinturas de última instância que têm capacidade de refletir mudanças rápidas na pressão podem ser usadas para aplicações PSP dinâmicos onde a intenção é medir características de fluxo instáveis.
• Velocimetria de imagem de partículas (PIV): PIV é uma técnica em que uma folha laser é emitida através de uma fenda na parede do túnel onde um dispositivo de imagem é capaz de rastrear a direção de velocidade local de partículas no plano da folha laser. Às vezes esta técnica envolve a semeadura do fluxo de ar com material observável. Esta técnica permite a medição quantitativa da velocidade e direção do fluxo através das áreas capturadas no plano do laser.
• Medição de deformação do modelo (MDM): MDM trabalha colocando marcadores em locais geométricos conhecidos no modelo do túnel do vento e fotografando a mudança na localização do marcador como o vento no túnel é aplicado. Ao analisar a mudança nas posições dos marcadores de diferentes ângulos de visualização da câmera, a mudança de tradução na localização do marcador pode ser calculada. Ao coletar resultados de alguns marcadores, o grau para o qual o modelo está produzindo de forma flexível devido à carga de ar pode ser calculado.

Classificação

Existem muitos tipos diferentes de túneis de vento. Eles geralmente são classificados pela faixa de velocidades que são alcançadas na seção de teste, como segue:

• Túnel de vento de baixa velocidade
• Túnel de vento de alta velocidade
• Túnel de vento subsônico e transônico
• Túnel de vento supersônico
• Túnel de vento hipersônico
• Túnel de vento de alta enthalpy

Os túneis de vento também são classificados pela orientação do fluxo de ar na seção de teste em relação à gravidade. Normalmente, eles são orientados horizontalmente, como acontece durante o voo nivelado. Uma classe diferente de túneis de vento é orientada verticalmente para que a gravidade possa ser equilibrada por arrasto em vez de elevador, e estes se tornaram uma forma popular de recreação para simular o mergulho no céu:

• Túnel de vento vertical

Os túneis de vento também são classificados com base em seu uso principal. Para aqueles usados com veículos terrestres, como carros e caminhões, o tipo de aerodinâmica do piso também é importante. Eles variam de pisos estacionários a pisos em movimento total, com pisos em movimento menores e algumas tentativas de controle de nível limite também sendo importantes.

túneis de vento aeronáuticos

As principais subcategorias nos túneis de vento aeronáuticos são:

Túneis de número de alto reynolds

O número de Reynolds é um dos parâmetros de similaridade que governa a simulação de fluxo em um túnel de vento. Para o número Mach menor que 0,3, é o parâmetro principal que governa as características do fluxo. Existem três maneiras principais de simular o número alto de Reynolds, pois não é prático obter o número de Reynolds em escala completa pelo uso de um veículo em escala completa.

• Túneis pressurizados: Aqui os gases de teste são pressurizados para aumentar o número de Reynolds.
• Túneis de gás pesados: Gases mais pesados como freon e R-134a são usados como gases de teste. O túnel de dinâmica transónica na NASA Langley é um exemplo de tal túnel.
• Túneis criogênicos: Aqui o gás de teste é refrigerado para aumentar o número de Reynolds. O túnel de vento transónico europeu utiliza esta técnica.
• Túneis de alta altitude: Estes são projetados para testar os efeitos de ondas de choque contra várias formas de aeronaves em vácuo próximo. Em 1952 a Universidade da Califórnia construiu os dois primeiros túneis de vento de alta altitude: um para testar objetos a 50 a 70 milhas acima da terra e o segundo para testes a 80 a 200 milhas acima da terra.

v/stol túneis

Os

túneis v/roubam requerem uma grande área de seção transversal, mas apenas pequenas velocidades. Como a energia varia com o cubo de velocidade, a energia necessária para a operação também é menor. Um exemplo de um túnel V/STOL é o túnel NASA Langley 14 por 22 pés (4,3 por 6,7 m).

túneis de spin

Aeronaves tendem a girar quando param. Esses túneis são usados para estudar esse fenômeno.

túneis automotivos

Os túneis de vento automotivos se enquadram em duas categorias:

• Túneis de fluxo externo são usados para estudar o fluxo externo através do chassis
• Túneis climáticos são usados para avaliar o desempenho de sistemas de porta, sistemas de travagem, etc sob várias condições climáticas. A maioria dos principais fabricantes de automóveis tem seus próprios túneis de vento climáticos

Wunibald Kamm construiu o primeiro túnel de vento em grande escala para veículos a motor.

Para túneis de fluxo externo, vários sistemas são usados para compensar o efeito da camada limite na superfície da estrada, incluindo sistemas de correias em cada roda e o corpo do carro (5 ou 7 sistemas de correia) ou um cinto grande Sob todo o carro, ou outros métodos de controle da camada limite, como bolas ou perfurações para sugá -lo.

túneis aeroacústicos

Esses túneis são usados nos estudos de ruído gerados pelo fluxo e sua supressão.

Alta entalpia

Um túnel de vento de alta entalpia visa estudar o fluxo de ar em torno de objetos que se movem em velocidades muito mais rápidos que a velocidade local do som (velocidades hipersônicas). " entalpia " é a energia total de uma corrente de gás, composta de energia interna devido à temperatura, ao produto da pressão e volume e da velocidade do fluxo. A duplicação das condições do vôo hipersônico requer grandes volumes de ar de alta pressão e ar aquecido; Grandes reservatórios quentes pressurizados e arcos elétricos são duas técnicas usadas.

Flume Aquadinâmico

Os princípios aerodinâmicos do túnel de vento funcionam igualmente em embarcações, exceto que a água é mais viscosa e, portanto, define maiores forças no objeto que está sendo testado. Uma calha em loop é normalmente usada para testes aquadinâmicos subaquáticos. A interação entre dois tipos diferentes de fluidos significa que o teste de túnel de vento puro é apenas parcialmente relevante. No entanto, um tipo semelhante de pesquisa é feito em um tanque de reboque.

Teste de líquido de tamanho grande em baixa velocidade

O ar nem sempre é o melhor meio de teste para estudar princípios aerodinâmicos em pequena escala, devido à velocidade do fluxo de ar e do movimento do aerofólio. Um estudo de asas de mosca de frutas projetadas para entender como as asas produzem elevador foi realizada usando um grande tanque de óleo mineral e asas 100 vezes maior que o tamanho real, a fim de desacelerar as batidas da asa e tornar os vórtices gerados pelas asas de insetos mais fáceis para ver e entender.

Teste de fã

Os testes de túnel de vento também são realizados para medir com precisão o movimento do ar dos ventiladores a uma pressão específica. Ao determinar as circunstâncias ambientais durante a medição e revisando a tira do ar depois, a padronização dos dados é garantida.

Existem duas maneiras possíveis de medição: um ventilador completo ou um impulsor em uma instalação hidráulica. Dois tubos de medição permitem medições de correntes de ar mais baixas (& lt; 30.000 m 3 /h), bem como correntes de ar mais altas (& lt; 60.000 m 3 /h). A determinação da curva Q/H do ventilador é um dos principais objetivos. Para determinar essa curva (e definir outros parâmetros), são medidos dados técnicos, mecânicos e eletro técnicos:

AIR Técnico:

• Diferença de pressão estática (Pa)
• Quantidade de ar movido (m³/h)
• Velocidade média do ar (m/s)
• Eficiência específica (W/1000 m³/h)
• Eficiência

Eletro técnico:

• Tensão (V)
• Corrente (A)
• φ
• Poder admitido (W) ventilador / impulsor
• Rotações por minuto (RPM)

A medição pode ocorrer no ventilador ou no aplicativo em que o ventilador é usado.

Teste de engenharia eólica

Na engenharia eólica, os testes de túnel de vento são usados para medir a velocidade ao redor e forças ou pressões sobre estruturas. Edifícios muito altos, edifícios com formas incomuns ou complicadas (como um edifício alto com uma forma parabólica ou hiperbólica), pontes de suspensão de cabo ou pontes permanentes de cabo são analisadas em túneis de vento de camada limite atmosférica especializados. Eles apresentam uma seção longa para o vento para representar com precisão a velocidade do vento e o perfil de turbulência que atua na estrutura. Os testes de túnel de vento fornecem as medições de pressão de projeto necessárias no uso da análise dinâmica e controle de edifícios altos.