24-08-2020, 08:57 PM
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 وآیرودینامیک 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 وپیوستگی در علم دینامیک سیالات محاسباتی است که این حل‌های عددی با استفاده از روش‌های مختلف مانند تفاضل محدود و حجم محدود و المان محدود انجام می‌شوند. راه دوم نیز انجام آزمایشات تجربی در تونل‌های باد و یا محیط‌های آزمایشگاهی دیگر است.
این مطلب ابتدا به بررسی تونل‌های باد و کاربرد آن‌ها می‌پردازد و سپس اجزای مختلف این تونل‌های باد و روابط حاکم بر آن‌ها را مورد ارزیابی قرار می‌دهد.
تونل باد چگونه کار می‌کند؟
اکثر مواقع، فن‌های قدرتمندی باعث جریان یافتن هوا در تونل باد می‌شوند. فن، یک توربو ماشین 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.
![[تصویر: Wind-Tunnel1.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Wind-Tunnel1.jpg)
جریان اطراف توپ تنیس در تونل باد
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.
![[تصویر: Wind-Tunnel-22.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Wind-Tunnel-22.jpg)
آشکارسازی جریان با استفاده از تزریق دود اطراف یک اتومبیل در تونل باد ![[تصویر: Wind-Tunnel-23.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Wind-Tunnel-23.jpg)
بررسی جریان اطراف بال هواپیما در یک تونل باد
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.
![[تصویر: Wind-Tunnel-23-1.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Wind-Tunnel-23-1.jpg)
روش PIV برای محاسبه میدان سرعت
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.
![[تصویر: Wind-Tunnel16.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Wind-Tunnel16.jpg)
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.
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 وپیوستگی در علم دینامیک سیالات محاسباتی است که این حل‌های عددی با استفاده از روش‌های مختلف مانند تفاضل محدود و حجم محدود و المان محدود انجام می‌شوند. راه دوم نیز انجام آزمایشات تجربی در تونل‌های باد و یا محیط‌های آزمایشگاهی دیگر است.
این مطلب ابتدا به بررسی تونل‌های باد و کاربرد آن‌ها می‌پردازد و سپس اجزای مختلف این تونل‌های باد و روابط حاکم بر آن‌ها را مورد ارزیابی قرار می‌دهد.
تونل باد چگونه کار می‌کند؟
اکثر مواقع، فن‌های قدرتمندی باعث جریان یافتن هوا در تونل باد می‌شوند. فن، یک توربو ماشین 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.
جریان اطراف توپ تنیس در تونل باددر 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.
آشکارسازی جریان با استفاده از تزریق دود اطراف یک اتومبیل در تونل باد بررسی جریان اطراف بال هواپیما در یک تونل بادبرای 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.
روش PIV برای محاسبه میدان سرعتدر 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.