تونل باد و روش‌هاي كاهش اغتشاش در آن

[M!Zare 48,037]

تونل باد و روش‌هاي كاهش اغتشاش در آن

الهام اسدي (asadi@raha.co.ir)

 

تاريخچه تونل باد

قبل از اختراع تونل باد برادران رايت، مطالعات و آزمايشات آيروديناميکی دستگاه بازوی چرخنده انجام می‌شد. اين دستگاه اولين بار در سال 1800 ميلادی توسط سر جرج کيلی توسعه پيدا کرد.

برادران رايت با همکاری اکتاو چانت در سال 1901 برای مطالعه تاثيرات جريان هوا روی اشکال مختلف اقدام به طراحی و ساخت تونل باد ساده‌ای نمودند. اين تونل باد ساده اخيرا نيز برای تست پرنده مدرن و کم سرعت آلباتروس ، مورد استفاده قرار گرفته است.

پس از آن با توسعه علم آيروديناميک و پايه گذاری رشته مهندسی هوايی، استفاده از تونل باد نيز افزايش يافت.

تونلهای باد معمولا از لحاظ حجم و سرعت جريان دارای محدوديت بودند. تونل بادی که قبل از جنگ جهانی دوم توسط آلمانيها مورد استفاده قرار گرفت، شامل حفره‌های طبيعی بزرگی بود که محتوی حجم زيادی از هوا بود که می‌توانست در مسير تونل باد جريان يابد. اين ابتکار باعث افزايش سرعت پيشرفت آلمانيها در صنايع هوايی گرديد.

در تحقيقات بعدی در زمينه جريان با سرعت نزديک صوت يا مافوق صوت از اين تکنولوژی استفاده شد. محفظه‌های فلزی فشار برای ذخيره‌سازی هوای پرفشار مورد استفاده قرار گرفتند. اين هوا پس از عبور از نازل به سرعت مافوق صوت می‌رسيد.

اگر چه طرح کلی يک تونل باد پيچيده است، ولی اکثر تونلهای باد از پنج قسمت اصلی تشکيل شده‌اند. اين پنج قسمت در شکل زير نشان داده شده‌اند.

 

هنگاميکه هوا وارد محفظه تصفيه يعنی اولين بخش تونل می‌شود، اغتشاشات جريان هوا کاهش می‌يابد. وجود اغتشاش و هوای ناپايدار می‌تواند باعث توليد نيروهای غيرقابل پيش‌بينی در بخش تست شده و توانايی تونل را در شبيه‌سازی شرايط پروازی کاهش دهد. بيشتر محفظه‌ها شامل پرده‌های شبکه‌بندی سيمی و يک صاف‌کننده لانه زنبوری جريان هستند که مانع از چرخش جريان در درون تونل باد شده و جريان ملايمی را درون تونل بوجود می‌آورند. بعد از اين مرحله هوا وارد مخروط انقباضی يا نازل می شود. سرعت هوا در حين عبور از اين بخش افزايش می‌يابد و سپس وارد بخش تست می‌شود. اين بخش معمولا مستطيل شکل است ولی در برخی از تونلهای باد به صورت جت باز خواهد بود. مدل يا نمونه آزمايش درون اين بخش قرار گرفته و حسگرها تاثير نيروهای ليفت و درگ را روی مدل اندازه‌گيری کند.

قسمت بعد شامل يک ديفيوزر است که سرعت هوا را کاهش می‌دهد . بخش نهايی هوا را از تونل خارج می‌کند. نيروی لازم برای مکش هوا از طريق فنهای بزرگی که پهنای آنها به 40 فوت نيز می‌رسد، تامين می‌شود.

کاربردهای تونل باد

بعضی از عملياتهايی که بصورت معمول در تونلهای باد انجام می‌شود شامل موارد زير است:

- اندازه‌گيری درگ/ليفت روی هواپيما، هليکوپتر، موشک و ماشينهای مسابقه‌ای.

- مشخصات مربوط به ممان/ليفت/درگ ايرفويلها و بالها.

- پايداری استاتيکی هواپيماها و موشکها.

- پايداری ديناميکی مشتقات هراپيما.

- توزيع فشار سطحی روی تمامی سيستمها.

- مشاهده جريان (با دود، پودر سيليکات منيزيم و يا روغن).

- عملکرد ملخ (گشتاور، تراست، توان، بازده و ...)

- عملکرد موتورهای تنفسی.

- تاثيرات باد روی ساختمانها، دکلها، پلها و اتومبيلها.

- ويژگيهای انتقال حرارت موتور و هواپيما.

البته تعدادی از اين عمليات در تونلهای آب نيز قابل بررسی هستند.

طبقه بندی انواع تونل باد

تونلهای باد براساس ساختمان به دو دسته مدار بسته يا مدار باز تقسيم می‌شوند. در سيکل باز ورودی و خروجی تونل به هم متصل شده‌اند. اين سيستم از نظر اقتصادی چندان مقرون به صرفه نيست بنابراين بيشتر تونلهای باد امروزه از نوع سيکل بسته هستند. در اين نوع ، هوای استفاده شده پس از عبور از پره‌های مخصوصی دوباره مورد استفاده قرار می‌گيرد و بدين ترتيب افت انرژی و اغتشاش به حداقل مقدار خود می‌رسد.

انواع ديگر طبقه بندی نيز وجود دارد که شامل موارد زير است:

بر حسب سرعت (مادون صوت، انتقالی، مافوق صوت و يا ماورا صوت). براساس فشار هوا ( اتمسفريک يا با چگالی متغير) ، بر اساس اندازه (معمولی يا با مقياس کامل). تعدادی تونل باد نيز وجود دارد که در گروه مشخصی قرار نمی‌گيرند. از انجمله تونلهای شاک، تونل جت پلاسما، تونل hot-shot و تونل metereologic را می توان نام برد.

تجهيزات اوليه در تونل باد

سيسنتمهای اندازه گيری فشار که فشار را به سيگنالهای الکتريکي با فرکانسهای مناسب برای ترانسديوسرها و استرين‌گيج‌ها تبديل مي کنند. اندازه‌گيری دما، گراديان دما و انتقال حرارت با ترموکوپل ترمستور و حسگرهای مقاوم انجام مي‌شود. سطوح اغتشاشي نيز با سيستمهاي ليزری (LDA,Laser Doppler Anemometry)، سيمهای داغ، بادسنجهای دمايي و سيستمهای رديابي (PIV,Particle Image Velocimmetry) اندازه‌گيری می‌شوند.

تحليل جهت جريان (خطوط جريان) با سيستمهای بسيار ساده که شامل قرار دادن دسته‌های پرزدار روی سطح مدل است انجام مي شود. از روغن و رنگ برای اغتشاش وخطوط جريان روی سطح ، از دود برای مشاهده ميدان جريان و از روش Schlieren photography نيز برای مشاهده امواج شاک استفاده می‌شود. روشهای ديگر شامل تکنيکهای shadowgraph و اينترفرومترهای نوری می‌شود. برای سرعتهای بالاتر از روشهای جذبی استفاده می شود.

آشکار سازی جريان روی بال

 

مشکل تداخل در تونل باد

تداخل در بخشهای مختلف تونل باد بدليل انسداد مسير جريان بوسيله مدل يا انعکاس امواج از ديواره در سرعتهای معادل يا مافوق صوت، بوجود می‌آيد. انسداد که در تونلهای باد با سايز محدود در هنگام تست مدلهای بزرگ اتفاق می‌افتد، به صورت نسبت مساحت جلو مدل به مساحت قسمت تست تعريف می‌شود. نسبت انسداد بايد هميشه از 10 درصد کمتر باشد.

از آنجائيکه وجود مدل در قسمت تست مانع عبور جريان شده و باعث افزايش فشار روی ديواره‌های تونل می‌شود بنابراين گاهی از تونلهای باد با مقطع باز يا تونلهايی با ديواره‌های منفذدار استفاده می‌شود.

انعکاس شاک در تونل باد مافوق صوت

دوره پروازهای مافوق صوت

تونل‌های باد مافوق صوت و مادون صوت چه تفاوتهايی با هم دارند؟

در اواخر دهه 1940 شکستن ديوار صوتی مهمترين مسئله برای هواپيماهايی بود که می‌خواستند سريعتر و سريعتر پرواز کننداز طرفی در اين دهه قيمت توليد هواپيماها نيز به سرعت افزايش يافت در نتيجه طراحان در صدد برآمدند تا بصورت رياضی مدلسازی کرده و بدون ساختن خود هواپيما عملکرد آنرا شبيه‌سازی کنند. بنابراين هر دو مسئله باعث احساس نياز بيشتری برای طراحی تونلهای باد پيچيده می‌شد.

در يک تونل باد با قدرت هر چه تمامتر و فنهای قويتر، جريان هوا در نازکترين بخش قسمت تست شاک شده و به ماخ 1 که همان سرعت صوت است، می‌رسد. هر اندازه که فنها سريعتر کار می‌کردند باز هم سرعت جريان هوا در اين بخش همان ماخ 1 باقی می‌ماند. مسئله مشابهی از اين شاک در قسمت نازک موتورهای راکت نيز نيز اتفاق می‌افتد. با اين وجود گازهای داغ خروجی از موتور راکت دارای سرعت مافوق صوت خواهند بود. بنابراين در تونلهای باد مافوق صوت نيز از نازل انبساطی مشابهی برای رسيدن به سرعت مافوق صوت استفاده می‌شود. ظاهرا بر خلاف واقع مدل نمونه در تونل باد در قسمت پايين دست جريان در گلوگاه يعنی جايی که شاک اتفاق می‌افتد، قرار می‌گيرد. در اين قسمت از نازل مساحت سطح مقطع تونل افزايش می‌يابد ولی سرعت هوا کاهش نمی‌يابد بلکه تمامی انرژی پمپ شده بوسيله فنها که به صورت فشار و انرژی گرمايی ذخيره شده به انرژی جنبشی تبديل می‌شود. موتور راکت نيز تقريبا همينطور کار می کند فقط انرژی آن بجای فن از طريق سوختن سوخت بدست می‌آيد. جريان هوا هنگاميکه از کوچکترين سطح مقطع عبور می‌کند به سرعت مافوق صوت می‌رسد.

توسعه مهمی که در اين دوره روی تونلهای باد انجام گرفت ايجاد شکافها يا سوراخهايی روی ديواره تونل بود. يکی از مشکلاتی که درون تونلهای باد وجود دارد اينست که جريان هوايی برخوردی از روی مدل میتواند به ديواره تونل آسيب برساند. جريان به سمت مدل برگشته و باعث بروز خطا در اندازه‌گيری‌های آزمايش می‌شود ری رايت محققی در لنگلی پيشنهاد کرد که با گذاشتن سوراخهايی روی ديواره تونل باد جريان هواي آرامی در اطراف مدل ايجاد کنيم.

خواص تونل باد برای شش رژيم سرعتی

نازل يا بخش انبساطی قسمت تست مافوق صوت برای هر مقدار ماخ مافوق صوتی دارای شکل منحصر به فردی است. بطور مثال نسبت قسمت تست به مساحت گلوگاه برای ماخ 2 برابر با 1.69 و برای ماخ 10 برابر با 536 می‌باشد. بنابراين برای اينکه يک تونل باد مافوق صوت بتواند برد وسيعی از ماخهای مافوق صوت را شامل شود بايد شکل نازل در اين تونل متغير باشد. اين مسئله بوسيله نازلهای قابل تعويض و يا نازلهای دارای ديواره متغير و ... حل شدنی است. يک طرح برای طراحی چنين نازلهايی در هنگام عملکرد تونل باد اينست که اساسا يک ديواره نازل ثابت نگه داشته شده در حاليکه ديواره روبرويی آن بصورت محوری لغزيده و حرکت می‌کند و باعث تغيير سطح مقطع نازل می‌شود. بنابراين مسئله قابل تغيير بودن شکل نازل اولين تمايز از سه تفاوت بين تونلهای بااد مافوق صوت و مادون صوت است.

دومين تفاوت بين اين دو نوع تونل مقدار انرژی از دست رفته هوای گردش يافته است. در تونلهای باد مافوق صوت فنها تنها نياز دارند که فشار هوا را تا 10 درصد افزايش دهند تا انرژی از دست رفته توسط ديواره تونل، مدل، تجهيزات و ... را جبران کند. در يک تونل باد ماخ 2 فشار بايد تقريبا 100 درصد افزايش يابد. بنابراين يک فن ساده تونل باد مادون صوت بايد به کمپرسور چند مرحله‌ای از فنها تبديل شود. واضح است که برای توليد نيروی به اين بزرگی توان بيشتری نيز نياز است. علت افت انرژی زياد در تونل باد مافوق صوت اساسا امواج شاک است که بلافاصله در جريان بعد از قسمت تست ايجاد می‌شود. جاييکه سرعت جريان اصلی از مافوق صوت‌به مادون کاهش می‌يابد. افت انرژی از طريق امواج شاک ذاتا در همه جريانهای مافوق صوت‌ وجود دارد بنابراين در تونل باد مافوق صوت فنهای الکتريکی يا کمپرسورها بايد اين انرژی را تامين کنند.

تونل باد مافوق صوت متغير نامتقارن

سومين و آخرين تفاوت مهم ميان تونل‌های باد مافوق و مادون صوت مربوط به خود جريان هواست. تونل باد نه تنها بايد کاملا تميز شده و فاقد بخار، روغن، گرد و غبار و هر شی خارجی باشد بلکه بايد از چگالش يا ميعان بخار آب موجود در هوا نيز اجتناب نمود. هنگاميکه جريان هوای تونل در نازل انبساط می‌يابد، گرمای نهان در هوا به انرژی جنبشی تبديل شده و دمای هوا افت می‌کند و احتمال ميعان بخار آب وجود دارد اما با خشک کردن هوا می‌توان از اين امر جلوگيری کرد.

ازآنجايي که توان لازم برای به کار انداختن تونلهای باد مافوق صوت بسيار زياد و در حدود بيش از 50 مگاوات در هر متر مربع از قسمت آزمايش است بنابراين بيشتر تونلها بطور متناوب از انرژی ذخيره شده در تانکرهای فشار بالا يا تانکرهای خلا استفاده می کنند.

تونل باد مافوق صوت

سطح قسمت تست تونلهای مافوق صوت در داقع شبيه به سطح آيينه است . به اين دليل که حدافل خراش يا نقصی در سطح تونل جريان هوای داخل تونل را بر هم زده و باعث کاهش دقت آزمايش می‌شود. وجود ناخواسنه برهم زننده و مغشوش کننده جريان در شکل زير نشان داده شده است. فقط تعداد کمی ترک يا خراش باعث توليد cries-cross خطوط ماخ فطری خواهد شد. هر خط ماخ يک موج شاک کوچ است که در محل وجود نقص بوجود می‌آيد و بسته به سرعت هوای درون تونل زاويه خاصی پيدا می‌کند مثلا در ماخ 1 خطوط ماخ عمود بر جريا است. بطور کلی اين زاويه در ماخ برابر arcsin 1/M خواهد بود. برای نشان دادن چگونگی توليد خطوط ماخ توسط ذره‌های کوچک روی ديواره تونل، ذرات ريزی روی نوار Scotch با ضخامت 0.003 اينچ برروی ديواره تونل قرار می‌گيرند و باعث توليد خطوط ماخ می‌شوند. بخشی از نوار درون لايه مرزی مادون صوت قرار می‌گيرد که ضخامت آن 0.3 اينچ يعنی 100 برابر ضخامت نوار است ولی در هر صورت تاثير ذرات کوچک از ميان لايه مرزی حس می‌شود.

به هر حال وجود خطوط ماخ درون تستهای تونل باد ناخوشايند است و بخش تست هر تونل مافوق صوتی بايد به اندازه کافی صيقلی باشد .

ذرات کوچک روی ديواره يک تونل باد مافوق صوت باعث توليد خطوط ماخ شده‌اند.

a)در ماخ 2 اين خطوط با محور تونل زاويه 30 درجه می‌سازند. b ) خطوط ماخ توليدی که بخشی از آن در لايه مرزی مادون صوت قرار گرفته است.

 

افزايش و بهبود عملکرد تونلهای باد مافوق صوت

در حال حاضر فرآيند جديدی برای شکل هندسی نازل که برای کنترل عدد ماخ در قسمت تست ضروريست، بکار برده می‌شوود. تعيين و حدس شکل نازل در يک ماخ مافوق صوت احتياج به زحمت زيادی دارد با سيستمهای جديد پيش‌بينی شکل نازل برای ماخهای بين 1.4 تا 4.3 آسانتر خواهد بود. قبل از سال 1991 HSWT مکانيزم کنترل شکل نازل شامل يک سيستم پيچيده cam بود. ايجاد شکل دلخواه برای نازل بسته به پيچيدگی سيستم فرآيند بسيار وقتگيری بوده که دارای دقت کافی نيز نيست. سيستم cam بوسيله يک جک هيدروليکی و سيستم فيدبک encoder جايگزين شد. روش پيشگويی شکل نازل شامل برونيابی مختصه‌ها از مجموع مختصه‌های ماخ بجا مانده از سيستم موجود می‌باشد. علاوه بر اين هيچ روشی برای ست کردن نازلها بصورت متقارن و مشحص کردن ويژگی فيدبک جک هيدروليکی نسبت به هندسه واقعی نازل در تونل وجود ندارد.بنابراين توسعه روش پيشگويی شکل نازلهای قابل تغيير که فادر به پيشگويی و بکارگذاری دقيق شکل نازلهاست، از اهميت بالايی برخوردار است.

بدليل پيچيدگی اين امر پروژه به چهار بخش تقسيم شده است:

- توسعه يک کد برنامه نويسی دو بعدی که بتواند به صورت تئوری شکل نازل را برای دستيابی به ماخ مشخص در قسمت تست پيش‌بينی کند.

- طرح يک سيستم سنجش نقشه نازل برای مشخص کردن سيستم کنترل شکل نازل کنونی (NCMS) و بکار گذاری اين نازل تئوری روی سيستم.

- چک کردن مجموعه جديد اشکال و تصحيح شکل برای تاثيرات لايه مرزی از طريق روشهای اصلاح با سعی و خطا.

- در نهايت تمامی مراحل بالا با استفاده از مجموعه بزرگی از اطلاعات که در طول کاليبره شدن جمع‌آوری شدند، شکل نهايی نازل را مشخص خواهند کرد.

کاهش اغتشاش در تونل باد

در اين قسمت نگاهی اجمالی در مورد تاثير اغتشاش در تونلهای باد و طراحی مناسب آن برای داشتن اغتشاشهای کم يا زياد، خواهيم داشت. آزمايشهاي انجام شده در تونلهای باد نشان‌دهنده تاثير پارامترهای مختلف در اندازه توربولانس می‌باشد.

تغييرات مناسب در اندازه، شکل و ضخامت ديواره‌‌های سلولهای لانه زنبوری دارای تاثيرات کمی هستند. اضافه کردن يک صحه لانه زنبوری ديگر هم تاثير چندانی در کاهش ميزان اغتشاش نخواهد داشت. اما با افزايش فاصله صفحه لانه زنبوری و بخش اندازه‌گيری و همچنين کاهش زياد مساحت در مخروط ورودی مقدار اغتشاش کاهش خواهد يافت.

درک تاثير اغتشاش در تونل باد بدين ترتيب شروع شد که در سال 1911 ايفل مقاومت هوا را روی يک کره در تونل بادی که جديدا ساخته بود، اندازه گرفت و مقدار ضريب پسا را 0.18 بدست آورد. يک سال بعد فوپل بيان کرد که مقدار ضريب درگ ايفل کاملا نادرست بوده و ضريب درست برابر 0.44 يعنی حدود سه برابر ضريب ايفل است. اما ايفل با انجام آزمايشهای ديگر روی کره با ابعاد مختلف و در تونل بادهای ديگر ، در صدد نشان دادن صحت ادعای خود برآمد.

اولين سرنخ برای توجيح اين تفاوت توسط ويلزبرگر ارائه شد. نتايجی که ويلزبرگر با ايجاد اغتشاش در جلو کره به آن رسيده بود، مشابه نتايج ايفل بود. وی اينکار را از طريق قرار دادن صفحه مش‌بندی شده در مقابل جريان هوا در جلو کره يا با قرار دادن يک رينگ سيمی روی سطح کره روی صفحه‌ای عمود بر جهت باد، انجام داد. پس از انجام آزمايشات بسيار نتيجه نهايی اينگونه بود که ضريب درگ کره در هوا تنها به قطر کره بستگی ندارد بلکه به سرعت، چگالی، لزجت و همچنين شدت توربولانس جريان هوا نيز وابسته است.

جسم ديگری که نتايج بدست آمده روی آن در تونل باد های مختل بسيار متفاوت بود، اجسام خط جريانی بودند. مقدار ضريب درگ بدست آمده در آزمايشگاه بين‌المللی فيزيک دارای مقدار کمتری نسبت به نتايج تونل باد yard دريايی واشنگتن بود.

در سال 1923 آزمايشگاه بين‌المللی فيزيک شروع به انجام يکسری آزمايش مقايسه‌ای روی دو مدل ارشيپ در تعداد زيادی از تونلهای باد دنيا انجام داد. نتايج بدست آمده از تونلهای باد ايالت متحده دارای 50 درصد اختلاف نسبت به نتيجه ميانگين بود. علت اين اختلافها وجود تفاوت در ميزان توربولانس تونلهای باد مختلف بود.

اين دو مثال نشاندهنده تاثير اغتشاش در تونل باد بود ولی کشف تاثيرات خود اغتشاش کمی فديميتر است :

اسبرن رينولدز در مطالعات خود روی جريان درون لوله‌ها، مشاهدات اوليه خود را بدين ترتيب به ثبت رسانيد : برای اعداد رينولدز پائين، جريان درون لوله آرام بوده که مطابق با قوانين هيدروديناميک برای جريانهای دائمی يک مايع لزج است. در رينولدزهای بالا جريان چرخيده و علاوه بر حرکت مولکولهای تکی، مومنتم نيز از لايه‌ای به لايه‌ای ديگر درون سيال منتقل می‌شود در آزمايشات معينی انتقال جريان از يک رژيم به رژيم ديگر صرفنظر از سرعت، قطر لوله، لزجت و چگالی مايع در مقادير مشخصی از اعداد رينولدز اتفاق می‌افتد. هنگاميکه جريان ورودی دارای اغتشاش باشد مقدار عدد رينولدز بحرانی به بزرگی اغتشاش بستگی خواهد داشت. توربولانس جريان ورودی ممکن است بوسيله اشيايی که نزديک ورودی لوله قرار می‌گيرند، صفحات لانه زنبوری در لوله و يا شکل ورودی خود لوله توليد شود.

ضريب درگ لوله تابعی از توربولانس بعلاوه عدد رينولدز خواهد بود. در رنج مشخصی از اعداد رينولدز اين تاثير خيلی زياد خواهد بود.

اطلاعات موجود در مورد تونلهای باد و در نتايج حاصل از آزمايشات انجام گرفته در تونلهای مختلف، مشخص نمود که در استاندارد نمودن تونلهای باد مقدار اغتشاش و روشهای کنترل آن در يک تونل باد نيز بايد مشخص شود.

آزمايشاتی که روی يک مدل کشتی در تونل باد با اغتشاش بالا انجام گرفت ، حاکی از اينست که در اين تونل باد با افزايش رينولدز، ضريب درگ کاهش می‌يابد در حاليکه در تونلهای باد با اغتشاش کم، کاهش ضريب درگ با افزايش رينولدز خيلی کمتر بوده و در بعضی مواقع با افزايش رينولدز ضريب درگ زياد می‌شود. با اينکه تاثير توربولانس تنها روی اجسام خاصی چشمگير است، ولی به هر حال اهميت شناخت مقدار توربولانس در هر تونل باد در طول آزمايش مشخص است.

نظريه مدرن در مورد نوع تاثير توربولانس

به عنوان پيش زمينه‌‌ای برای بررسی مزايا و معايب نسبی وجود اغتشاش کم يا زياد در تونلهای باد، لازمست که در مورد تاثير توربولانس درکی اجمالی داشته باشيم. برخی از نظريه‌های موجود در اين زمينه شامل ترکيبی از نظريات پرنتل، وان کارمن، برگر و ديگران است.

نقطه شروع اين نظريات، تئوری لايه مرزی پرنتل است.

در قسمتی از ميدان جريان آب يا هوا در رينولدزهای نسبتا بالا، اتلاف انرژی ناچيز بوده و بنابراين تاثير لزجت نيز ناچيز است. البته لزجت همچنان تاثير خود را خواهد داشت وگرنه درگ بوجود نمی‌آمد. بنابراين پرنتل فرض کرد که تاثيرات لزجت به لايه های نازک يا لايه‌‌های نزديک به سطح جسم محدود می‌شود و با اين فرضها معادلات حرکت در سيال لزج را مطرح نمود. نتيجه اين فرضها، معادلاتی است که توزيع سرعت در يک لايه، ضخامت لايه يا پارامترهای معادل و اصطکاک پوستی روی سطح را در هنگاميکه توزيع فشار در طول جسم مشخص است، می‌دهد.

دو پديده مانع از کاربرد اين فرمولها برای کل لايه مرزی می‌شد. اولين پديده جدايش بود. اين پديده زمانی اتفاق می‌افتد که فشار لايه مرزی در جريان پايين دست افزايش يافته و ذرات سيال در نزديکی ديواره در حاليکه توسط فشار به عقب می‌افتند، با اصطکاک يا ذرات مجاور خود نيز رانده می‌شوند. هنگاميکه لايه مرزی ضخيم می‌شود تاثير اين به عقب افتادن غالب شده و در نهايت باعث برگشت جريان می‌شود. برگشت جريان نيز همانطور که در زوايای حمله بالا روی سيلندر يا ايرفويل ديده می‌شود، سبب جدايش جريان از سطح می‌گردد. شروع جدايش بوسيله معادلات پرنتل قابل پيش‌بينی است اما پيشرفت اين پديده باعث انحراف زيادی از فرضهای اوليه پرنتل در استخراج اين معادلات می‌شود.

پديده دومی که در فرضهای اساسی در نظر گرفته نشده است، شروع جريان ادی در لايه مرزی است. جريان بررسی شده توسط معادلات پرنتل جريان آرام است. مومنتم بوسيله حرکت مولکولها که تاثيرشان تابع ضريب لزجت است، از يک لايه به لايه ديگر منتقل می‌شود.

آزمايشات برگر و شاگردش هگ زيجنن نشان داد که جريان چرخشی گشته بطوريکه اغتشاش موجود در جريان تعديل نشده و زمانيکه عددرينولدزبه مقدار بحرانی مشخصی می‌رسد، انتقال اتفاق می‌افتد. مقدار رينولدز بحرانی به ميزان توربولانس جريان بستگی دارد و با افزايش توربولانس کاهش می‌يابد.

اگر شروع چرخش جريان در لايه مرزی قبل از جدايش لايه اتفاق بيفتد، جدايش را تحت تاثطر قرار می‌دهد. در حرکت ادی آشفتگی بيشتری در ذرات هوا وجود دارد و عمل راندن لايه‌های بيرونی روی لايه ‌‌های دروني نزديک سطح جسم بزرگتر است. بنابراين هوای موجود در لايه توانايی پيشبردن جريان را در مقابل گراديان فشار معکوس داشته و بدين ترتيب جدايش به تعويق می‌افتد. جدايش به تعويق افتاده باعث تغييرات بسيار در ضريب درگ کره و سيلندر در منطقه می‌شود. بنابراين تاثير توربولانس در مقاومت کره همان تسريع در شروع جريان ادی در لايه مرزی خواهد بود.

لازم به ذکر است که مکانيزم تفکيک لايه مرزی آرام و تاثير اغتشاش هنوز بطور کامل مشخص نشده است. نويسنده معتقد است که اين مکانيزم ضرورتا با آنچه در پديده جدايش می‌افتد، يکسان است و اگر هيچ نوسانی در سرعت هوا در لبه لايه مرزی وجود نداشته باشد، اين تفکيک اتفاق نمی‌افتد. نوسانات مشاهده شده در سرعت دريک نقطه ثابت ممکن است به عنوان يک نشانه در نظر گرفته شود و اينکه در چه زمانی در طول لبه بيرونی لايه مرزی تغييرات سرعت اتفاق می‌افتد. تغييرات سرعت به تغييرات فشار مرتبط است و در منطقه‌ای که سرعت کاهش می‌يابد فشار افزايش خواهد يافت. بزرگی فشار به دامنه و فرکانس نوسانات سرعت بستگی داشته و با افزايش آنها افزايش می‌يابد. در يک فاصله کافی از لبه حمله ضخامت لايه مرزی بگونه‌ای خواهد بود که در نزديکی سطح در جائيکه فشار جريان پائين دست افزايش می‌يابد ،جهت جريان معکوس باشد. نوسانات بيشتر سرعت باعث گراديان فشار بيشتر و ايجاد زودتر جريان معکوس می‌شود. چنين جريان معکوسی شکل‌گيری اديها را بسيار محتمل می‌کند. اين تئوريها از نظر رياضی مورد بررسی قرار نگرفته است.

آيا توربولانس کم رضايت‌بخش است؟

در اعداد رينولدز بالايی که در هواپيماها و کشتيها و در مقياس حقيقی با آن مواجه می‌شويم، جريان لايه مرزی در قسمتهای بيشتر جسم دارای ادی بوده و در فاصله کمی از دماغه به رينولدز بحرانی می‌رسد. در آزمايشات تونل باد، جريان لايه مرزی اکثرا آرام است بخصوص اگر توربولانس هم کم باشد. اين تفاوت در خصوصيات جريان در لايه مرزی معمولا باعث اختلاف زيادی ميان ضرائب نيروهای بدست آمده برای مدل و نمونه اصلی می‌شود. به عنوان مثال زاويه حمله‌ای که در آن اغتشاش روی ايرفويل اتفاق می‌افتد، بخصوص در ايرفويلهای ضخيم، برای مدل معمولا کوچکتر است.

اولين پيشنهادی که بعد از شنيدن اين مسئله به ذهن هر کسی می‌رسد، ساختن تونلهای یاد با ميزان اغتشاش بالاست بطوريکه جريان ادی در بيشتر لايه مرزی وجود داشته باشد. در اين فرآيند جريان با رينولدزهای پائين به جريان بدون اغتشاش با رينولدزهای بالا بيشتر شبيه است تا جريانی با رينولدز پائين و اغتشاش کم. ممکن است بخواهيم شرايط اغتشاش حاکم بر جريان اتمسفر را در هنگام آزمايش روی مدل ايجاد کنيم در مورد چنين تونل بادی نيز بدليل تطابق نتايج برونيابی روی مدل با نمونه اصلی در موارد محدود، ادعا شده است که اغتشاش موجود در آنها دقيقا مشابه اتمسفر است. اين مسئله ظاهرا منطقی بنظر می‌رسد ولی ااغتشاش موجود در اتمسفر يک کميت کاملا متغير بوده و از مکانی به مکان ديگر نيز تغيير می‌کند. بنابراين بدليل تاثير توربولانس به صورت تاثيرات مقياسی، می‌توان با برونيابی ميان مقادير مدل در تونلهای باد مختلف، به نتيجه يکسانی در مورد نمونه اصلی رسيد. حتی اگر اين مقادير تفاوت زيادی با هم داشته باشند. به عنوان مثال اگر درگ روی مدل يک کشتی درون تونل باد با اغتشاش بالا اندازه‌گيری شود، مشاهده می شود که ضريب درگ با افزايش رينولدز کاهش می‌يابد و مقدار برونيابی شده برای رينولدز نمونه اصلی بسيار کمتر از مقادير اندازه‌گيری شده خواهد بود. اگر درگ همين مدل در تونل باد با اغتشاش کم اندازه‌گيری شود، ضريب درگ کمتر از مقدار قبل بوده و تغييرات رينولدز نيز کوچک خواهد بود. اما مقدار برونيابی شده هر دو برای تمونه اصلی، بسيار نزديک بهم خواهد بود.

استفاده از تونلهای باد با اغتشاش بالا يک ساده سازی بزرگ در پديده واقعی است. اين ساده‌سازی در ابتدای مطالعه می‌تواند مفير باشد اما معمولا باعث کج فهمی می‌شود.

طبقه‌بندی جريانها به دو دسته آرام و مغشوش تنها يک طبقه‌بندی کلی است. هميشه يک منطقه انتقالی نيز ميان اين دو وجود دارد که در آن جريان بطور واضح نمی‌تواند در هيچ‌يک از اين دو دسته قرار بگيرد. بنابراين زمانيکه فکرمی‌کنيم افزايش توربولانس تاثيری مشابه با تاثير افزايش رينولدز دارد، جزئيات آزمايش نشاندهنده اين تشابه سطحی خواهد بود.

ويزلبرگر نظر خود را در مورد اغتشاش کم چنين بيان می‌کند:

در مورد آزمايش روی مدل، توربولانس تحت شرايطی مزيت بوده و تاثير يکسانی مشابه افزايش رينولدز خواهد داشت. البته بدليل کافی نبودن اطلاعات در اين مورد (تا سال 1925) اين مسئله هنوز بطور کامل اثبات نشده است. کاملا ممکن است که در موارد مشخصی تاثير توربولانس روی جريان هوا به گونه‌ای متفاوت و يا ناخوشايند باشد. از طرفی گاهی هم ما بايد نمونه‌های اصلی همانند رادياتورها، اسپارها و اجزای ارابه فرود را در تونل باد تست کنيم. در اين موارد يک جريان مغشوش نتايج اشتباهی بدنبال خواهد داشت. استفاده از جريان آزاد مغشوش برای تست و کاليبره کردن ابزاری همانند سرعت‌سنج، ضروريست. جريان غيراغتشاشی، بوسيله صفحات شبکه‌بندی شده يا موجی به آسانی می‌تواند به جريان مغشوش و با درجه اغتشاش دلخواه تبديل شود در صورتيکه عکس اين مطلب زياد صحيح نيست. بنابراين اولويت با تونلهای باديست که تا حد امکان جريانهای يکدستی توليد می‌کنند.

اندازه‌گيری توربولانس

در بحثهای قبل کلمه توربولانس بدون هيچ تعريف دقيقی بارها استفاده شد. بطور کلی به هرگونه انحرافی از شرايط ايده‌ال جريان دائمی و يکنواخت، اغتشاش می‌گويند. بدون اطلاعات کاملی از مکانيزم تفکيک جريان آرام و شروع جريان چرخشی هيچ تعريف کاملی نمی‌توانيم ارائه دهيم. جريانی را در نظر بگيريد که در آن سرعت در هر نقطه به صورت بی‌قاعده حول يک مقدار متوسط V با زمان تغيير می‌کند. ميزان اختلاف سرعت با مقدار متوسط در هر لحظه با ∆V نشان داده می‌شود. بدون در نظر گرفتن علامت بر حسب تعريف برای مقدار ميانگين dV خواهيم داشت:

T پريود نوسانات سرعت و t زمان است. dV نيز مقدار ميانگين انحراف سرعت از مقدار متوسط می‌باشد. مقدار به عنوان توربولانس تعريف می‌شود. همانطور که در شکل نيز نشان داده شده نيروهای روی کره و اجسام خط جريانی به اين مقدار مرتبط می‌شود.

تغييرات حساسيت سيم داغ انومومتر نسبت به تغييرات فرکانس در سرعتهای مختلف.

توربولانس بوسيله سيم داغ انومومتر و وسايل مرتبط با آن اندازه‌گيری می‌شود. حساسيت اين ابزار نسبت به تغييرات سرعت تا فرکانس 1/s100 ثابت است و پس از آن سريعا کم می‌شود.

بنابراين نوسانات با فرکانس بالا برای تشخيص جريان آرام که دارای فرکانس کمی هستند، موثر می‌باشد. طبق برخی نظريه‌ها فرکانسهای بالا از 100 سيکل بر ثانيه بيشتر هستند. اندازه‌گيری نيروها و دامنه متوسط نوسانات مشخص می‌کند که هم نيروها و هم دامنه نوسانات فرکانس پايين با توربولانس واقعی تغيير می‌کنند. اين تفسير می‌تواند درست باشد چراکه هنوز مدارک آزمايشی برای رد اين مسئله نداريم. در حال حاضر آزمايشاتی برای مشخص کردن رنج فرکانسها و تعيين توزيع نوسانات در هلند و اداره استاندارد در حال انجام است.

آزمايش اندازه گيری روی کره به عنوان روش کيفی برای مقايسه توربولانس در تونلهای باد مورد استفاده قرار می گيرد. پيشنهاد شده است که نتايج روی کره بوسيله رينولدزی بيان شود که در آن ضريب درگ برابر با 0.3 است.

انواع چيدمان تونل باد و اصلاحيات آن

تونل باد مخصوصی که برای آزمايشات مربوط به کاهش توربولانس انتخاب شد، تونل 54 اينچی اداره استاندارد است که دارای توربولانس نسبتا بالايی است. اين تونل باد نسبتا کوچک دارای کاهش ناگهانی مساحت در مخروط ورودی و يک صفحه لانه زنبوری در قسمت مستقيم است. در نوع ديگر چيدمان، يک صفحه لانه زنبوری از لوله‌های کاغذی با قطر 1 اينچ و طول 4 اينچ در نزديکی ورودی تونل نصب می‌شود. صفحه ديگری نيز به همين شکل در خروجی قرار می‌گيرد. در چيدمان نوع سوم صفحه لانه زنبوری بخش مستقيم برداشته می‌شود. در نوع چهارم يک صفحه لانه زنبوری از لوله گرد از جنس آهن گالوانيزه با قطر 3 اينچ و طول 12 اينچ در فاصله‌ای دور از مسير جريان بالا دست قرار داده می‌شود. در چيدمان نوع پنجم صفحه لانه زنبوری جريان بالا دست 3 اينچی برداشته شده و صفحه‌ای از لوله‌‌های کاغذی با قطر 1 اينچ و طول 4 اينچ جايگزين آن می‌شود. در چيدمان نوع ششم مخروط ورودی بطور کامل بازسازی شده است. سطح مقطع ورودی به شکل هشت وجهی بوده و دارای ارتفاع 10 فوت است. يک صفحه مشبک از سلولهای مربعی 4 اينچی با 12 اينچ طول نيز دقيقا در ورودی قرار گرفته است. ‌تفاوت چيدمانهای 1،2،3،4 و 5 تنها در صفحات مشبک آنهاست در حاليکه در چيدمان 6 تغييرات اساسی در شکل ورودی ايجاد شده است.

نتايج

درگ يک کره برای چند سرعت در قسمت بالا دست و پايين دست جريان در مقطع کاری اندازه گرفته شده است. البته در چيدمان نوع سوم آزمايش تنها در قسمت بالادست و پايين‌دست جريان انجام شد. چيدمان 1،2،4،5 از يک کره 5 اينچی و در چيدمان 3،6 از کره‌ای به قطر 8.6 اينچ استفاده می‌شود. آزمايشات يکسانی برروی کره 8.6 اينچی و جسم دوکی شکلی که در معرض جريان پايين‌دست قرار می‌گيرند، انجام شده است. درگ محاسبه شده برای اين دو نمونه به صورت نمودار ضريب درگ Cd نسبت به لگاريتم عدد رينولدز رسم شده است.

F : نيروی پسا ، D : قطر کره، V : سرعت هوا، ρ : چگالی هوا، υ : لزجت سينماتيک هوا.

نتايج مربوط به هر شش نوع چيدمان در شکلهای زير نشان داده شده است.

طبق برخی نظريات پيشنهاد شده است که عدد رينولدز بحرانی برای يک کره ، رينولدزی تعريف شود که در آن ضريب درگ کره برابر با 0.3 است. مقادير بدست آمده از نمودارها در جدول شماره 1 آمده است. ضمنا اين جدول شامل توربولانسهای اندازه‌گيری شده بوسيله انومومتر نيز می‌باشد. مقادير بدست آمده در واقع ميانگين نوسانات سرعت در نقطه مورد نظر بر حسب درصدی از سرعت متوسط است. هر يک از اين مقادير متوسط دو يا چند رديف از نتايج است و هر رديف از اين نتايج نيز شامل مشاهدات در سرعتهای 6 تا 10 متر بر ثانيه می‌باشد. به عنوان مثال مقدار متوسط 1.6 در چيدمان نوع چهارم از ميانگين‌گيری شش رديف داده 1.67، 1.68، 1.61، 1.77، 1.28 و 1.31 بدست آمده است که در آن هر رديف از اين نتايج ، خود متوسط تعدادی داده ديگر است. مثلا رديف پنجم يعنی عدد 1.28 نيز متوسط مقادير 1.55، 1.28، 1.10، 1.27، 1.27، 1.26،1.45، 1.29،1.23،1.22و 1.27 می‌باشد.

انواع چيدمان تونل باد.

ضريب درگ روی کره در چيدمان 1

 

ضريب درگ روی کره در چيدمان 2

 

ضريب درگ روی کره در چيدمان 3

ضريب درگ روی کره در چيدمان 4

ضريب درگ روی کره در چيدمان 5

ضريب درگ روی کره در چيدمان 6

تغييرات رينولدز در ضريب درگ 0.3 نسبت به ميزان توربولانس

مشکل چيدمان 5 بخصوص در جريان بالادست، در شکل 15 مشخص شده است. اين مشکل تا حدی بدليل حرکت صفحه لانه زنبوری در اثر باد است. لوله‌های کاغذی تشکيل دهنده صفحه لانه زنبوری در نهايت به يکديگر چسبانده شده و استحکام مضاعفی توليد می‌کنند اما اين مشکل هرگز بطور کامل برطرف نمی‌شود. هر نوع صفحه مشبکی که جابجا شده يا تغيير شکل دهد ، صفحه نامناسبی خواهد بود. بنابراين مقادير اندازه‌گيری شده توسط سيم داغ برای چيدمانهايی که از اين نوع صفحات استفاده می‌کنند ، چندان معقول نيست.

نتايج موجود در جدول 1 اطلاعات جديدی را در مورد کره بعنوان وسيله‌ای برای اندازه‌گيری توربولانس ارائه می‌دهد. تاثير اصلاحات مختلف در اين جدول آورده شده است. صفحه لانه زنبوری اضافی موجود در ورودی باعث کاهش کمی در ميزان توربولانس می‌شود. برداشت کامل صفحه لانه زنبوری ميزان توربولانس را به حداقل می‌رساند ولی جريان در معرض اغتشاشهای گذرا و موقتی قرار می‌گيرد که بطور متوالی تکرار شده و امکان عمل در اين شرايط را از بين می‌برد. کاهش ميزان توربولانس در چيدمان 4 نيز همانطور که در شکل 18 ديده می‌شود بدليل افزايش فاصله از صفحه لاده زنبوری است. چيدمان 5 نيز دارای نتايج مشابهی با چيدمان 4 است. چيدمان 6 نيز دارای بهبودهای قابل توجهی است. قسمت اعظم تاثيرات بدليل افزايش فاصله از صفحه لانه زنبوريست.

بنابراين توربولانس اين تونل باد در فاصله ثابتی از تونل باد از طريق تغيير قطر، ضخامت ديواره يا سلولهای صفحه لانه زنبوری ويا اضافه کردن يکه صفحه مشبک ديگر، مقدار قابل توجهی کاهش نمی‌يابد بلکه افزايش فاصله از صفحه لانه زنبوری و يا حرکت دادن اين صفحه در جريان بالا دست در کاهش مقدار توربولانس موثر خواهد بود. استفاده از کاهنده مساحت در مخروط ورودی با صفحه مشبکی در قسمت کم سرعت باعث کاهش بيشتر توبولانس شده و شرايط عملکرد بهتری را نيز فراهم می‌سازد.

عدد رينولدز زمانيکه ضريب درگ کره 0.3 است ، بصورت تابع فاصله از صفحه لانه زنبوری درچيدمانهای مختلف.

عدد رينولدز در چيدمانهای مختلف هنگاميکه ضريب درگ کره برابر با 0.8 است

منبع:سایت رها

[M!Zare 48,037]

هر آنچه از تونل باد میخواهید بدانید در این

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

میتوانید بیابید.