هر آیرودینامیکی که میخواد در مسیر علمی خودش پیشرفت کنه نمیتونه از تونل باد بگذره و کاری بهش نداشته باشه.... اگه بخوام تونل باد رو به سبک خودم تعریف کنم میگم:

دیدن علم آیرودینامیک در عمل ...

در واقع تونل باد مکانی هست که شما می تونید شرایطی رو مهیا کنید که رفتار جریان حول اجسام مختلف رو ببینید.... دقیقا همون رفتاری که در عالم واقعی برای یه جسم در حالت حرکت رخ میده....از اونجایی که تست جسم پرنده در شرایط واقعی خیلی سخته مجبوریم جسم رو ثابت گرفته و جریان رو حرکت بدیم و این کار در تونل باد انجام میشه...

قسمت های اصلی تونل باد

تونل باد چند قسمت اصلی داره و البته انواع مختلف... قسمت های اصلی تونل باد مادون صوت به قرار زیر هستند:

ورودی- نازل- اتاقک آزمون - دیفیوزر - ملخ مکنده (دمنده)

حالا این سوال مطرح میشه که چرا تونل باد به این شکل هست....تونل باد هر قدر بتونه سرعت بیشتری ایجاد کنه بهتره چون که ما می تونیم بازه های سرعت بیشتری داشته باشیم و ازمایشات بیشتری انجام بدیم... اگه تونل باد یه مجرای ثابت و بدون تغییر سطح مقطع بود، اگرچه می تونستیم توسط ملخ دمنده یا مکنده هوا رو در اون سرعت بدیم اما این کار بهینه نبود.... چرا؟ چون وقتی که ما میتونیم با همین ملخ و انرژی مصرفی، سرعت بیشتری ایجاد کنیم، چرا نکنیم!! حتما می پرسید چطوری؟ ساده هست .... در جریان های زیر صوتی، هر وقت درون یک مجرا که سطح مقطع اون کاهش پیدا می کنه، سیال رو حرکت بدیم، سرعتش افزایش پیدا می کنه... و با توجه به قانون برنولی با افزایش سرعت، فشار کم میشه (و بالعکس)... این واقعیت رو می تونید در فیلم زیر ببینید جایی که با افزایش سرعت در گلوگاه لوله ونتوری (venturi tube)، به علت کم شدن فشار، مایع درون ظرف بالا میاد:

 شما میتونید این کار رو توسط یک قیف امتحان کنید و از دهانه گشاد اون بدمید.... سرعت در دهانه کوچک قیف افزایش پیدا می کنه... 

در یه دسته بندی دیگه، تونل های باد به دو قسمت مدار بسته و مدار باز تقسیم میشوند... نمونه مدار باز در شکل قبل نشون داده شد اما نمونه مدار بسته به صورت شکل زیر هست:

در شکل فوق معلومه که موتور الکتریکی در یک مدار بسته سیال هوا رو به گردش در میاره و در اتاقک آزمون (test section)، جسم مورد نظر، بررسی میشه... نکته دیگه ای که از شکل میشه فهمید اینه که در قسمتهایی که انحنای مجرا زیاد شده یعنی در چهار گوشه تونل باد مدار بسته، چهار سری ردیف پره (Vanes) قرار دارند .... دلیل وجود vane ها اینه که جریان رو بهتر و ملایم تر هدایت می کنند... همونطور که دوستان آیرودینامیکی و سیالاتی میدونن، جریان در قسمت های انحنادار مجرای بسته مثل زانویی در لوله، دارای افت های بیشتری می شه و نیاز هست که این پره ها در اونجا استفاده بشه...

اما یه قسمت دیگه ای هم در تونل باد وجود داره که وظیفه یک نواخت کردن جریان رو بر عهده داره.... این قسمت در واقع توری هایی هستند که شکل لانه زنبور رو دارند و معروف به لانه زنبوری (Hony-comb) هستند.

 این توری ها جریان های مغشوش رو یک نواخت می کنند. مکان نصب اون ها معمولا در ابتدای ورودی تونل باد و یا بعد از موتور دمنده هست... در تصویر زیر تونل باد کوچکی رو مشاهده می کنید که در ابتدای ورودی، hony-comb نصب شده:

تونل بادها معمولا هزینه زیادی دارند به این دلیل که اغلب از موتور های الکتریکی جهت به جریان انداختن هوا استفاده می کنند واین موتورها به دلیل ابعاد و اندازه بزرگ خود برق زیاد مصرف می کنند به طوری که برخی از نمونه ها حتی یک ایستگاه برق اختصاصی برای خود دارند. به دلیل همین هزینه های زیاد باید دقت رو در آزمایشها بالا برد و از دوباره کاری جلوگیری کرد... بر همین اساس دقت وسایل اندازه گیری در تونل باد از اهمیت بسیار بالایی بر خوردار هست...

اندازه گیری نیروی های آیرودینامیکی:

شاید الان این سوال پیش بیاد که: "اصلا تونل به چه درد می خوره؟! خروجی این وسیله چیه!؟"

ببینید استفاده مهمی که میشه از تونل باد کرد، اندازه گیری پارامترهای آیرودینامیکی مثل نیروی برآ، نیروی پسا و ممان های وارد بر جسم هست.... اما فقط اینها نیست درواقع پارامترهای مهم دیگه ای هم هست که شاید اینجا جاش نباشه که بگم مثل مشتقات پایداری و آیرودینامیکی جسم پرنده که بسیار برای تحلیل های کنترل هواپیما و موشک مهمه و مهندس دینامیک و کنترل پرواز نیازمند این اطلاعات هست.

 روش های مختلفی برای اندازه گیری پارامترهای جریان و نیروهای آیرودینامیکی روی جسم وجود داره که در اینجا به چند مورد اشاره میشه:

- بدست آوردن توزیع فشار حول جسم: در این روش  فشار رو حول سطح جسم محاسبه می کنند و از اختلاف فشار ها و نحوه توزیع اونها، نیروهای لیفت، درگ و گشتاور پیچشی محاسبه میشه. وسیله ای که با اون فشار رو محاسبه می کنند، معروف به pressure tap یا pressure transducer هست.... این ابزار در واقع لوله های نازکی هستند که از یک طرف به روزنه های کوچک روی سطح مدل ختم میشن و از طرف دیگر به دستگاه کالیبراسون فشار منتقل میشن....

- محاسبه از طریق حجم کنترل: در این حالت یک حجم کنترل حول جسم گرفته و مقدار سرعت رو در مرزهای حجم کنترل اندازه گیری می کنند و بعد از طریق معادلات بقای جرم و ممنتوم، نیروی های آیرودینامیکی بدست میاد. این کار توسط Hot-Wire انجام میگیره.... سنسور hot-wire، سیم داغ و بسیار نازکی هست که با چشم به سختی می شه اون رو دید.از این پراپها جریان الکتریسیته عبور داده و با توجه به اینکه مقاومت الکتریکی مشخصی دارند، وقتی  در مسیر جریان قرار می گیرند تغییر دما میدن و در نتیجه مقاومت الکتریکی شون تغییر می کنه و در اثر تغییر ولتاژ در جریان حاصل می شه.... این تغییرات ولتاژ رو در یک نمودار ثبت می کنند و با کالیبره کردن توسط دستگاه، می تونن به خوبی سرعت رو در هر لحظه و مکان از فضای اتاقک آزمون اندازه گیری کنن.

-محاسبه از طریق تنش و کرنش اهرم نگهدارنده: در این روش مدل تستی، توسط یک اهرم نگهدارنده در اتاقک آزمون قرار می گیره. روی این اهرم سنسورهایی قرار گرفته که می تونند تنش و کرنشی رو که بر اهرم وارد میشه، محاسبه کنند و توسط کالیبراسیونی که قبلا انجام شده مقادیر تبدیل به مقدار نیروی برا و پسا و  ممان پیچشی می شوند.

در لینک زیر می تونید تصاویری از مدل های تونل باد، اهرم های نگهدارنده مدل تست و pressure tap های روی اونها رو ببینید:

http://www.advancedtechnologiesinc.com/precision-wind-tunnel-models.php