Αεροδυναμική σήραγγα

Μια αεροδυναμική σήραγγα είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται στην αεροδυναμική έρευνα για να μελετήσει τις επιπτώσεις του αέρα που κινείται γύρω από τα στερεά αντικείμενα. Μια αεροδυναμική σήραγγα αποτελείται από ένα σωληνοειδές πέρασμα με το υπό δοκιμή αντικείμενο τοποθετημένο στη μέση. Ο αέρας κινείται κατά μήκος του αντικειμένου μέσω ενός ισχυρού συστήματος ανεμιστήρων ή άλλων μέσων. Το υπό δοκιμή αντικείμενο, που συχνά ονομάζεται μοντέλο αεροδυναμικής σήραγγας, είναι εξοπλισμένο με κατάλληλους αισθητήρες για τη μέτρηση των αεροδυναμικών δυνάμεων, της κατανομής πίεσης ή άλλων αεροδυναμικών χαρακτηριστικών.
Οι πρώτες αεροδυναμικές σήραγγες επινοήθηκαν στα τέλη του 19ου αιώνα, στις πρώτες ημέρες της αεροναυτικής έρευνας, όταν πολλοί επιχείρησαν να αναπτύξουν επιτυχημένες βαρύτερες από αέρα ιπτάμενες μηχανές. Η αεροδυναμική σήραγγα θεωρήθηκε ως ένα μέσο αναστροφής του συνηθισμένου παραδείγματος: αντί του ασταθούς αέρα και ενός αντικειμένου που κινείται με ταχύτητα μέσα από αυτό, το ίδιο αποτέλεσμα θα προέκυπτε εάν το αντικείμενο ήταν ακίνητο και ο αέρας κινούνταν με ταχύτητα κατά μήκος αυτού. Με αυτόν τον τρόπο ένας σταθερός παρατηρητής θα μπορούσε να μελετήσει το ιπτάμενο αντικείμενο σε δράση και θα μπορούσε να μετρήσει τις αεροδυναμικές δυνάμεις που ενεργούνται σε αυτό.
Η ανάπτυξη αεροδυναμικών σηράγγων συνέβαλε στην ανάπτυξη του αεροπλάνου. Μεγάλες αεροδυναμικές σήραγγες κατασκευάστηκαν κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου. Οι δοκιμές στις αεροδυναμικές σήραγγες θεωρήθηκαν στρατηγικής σημασίας κατά την ανάπτυξη των υπερηχητικών αεροσκαφών και βλημάτων κατά την διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου.
Μεταγενέστερα, η μελέτη των αεροδυναμικών σηράγγων αναπτύχθηκε: οι επιδράσεις του ανέμου στις ανθρώπινες δομές ή τα αντικείμενα έπρεπε να μελετηθούν όταν τα κτίρια απέκτησαν μεγάλο ύψος παρουσιάζοντας μεγάλες επιφάνειες στον άνεμο και οι δυνάμεις που προέκυπταν έπρεπε να αντισταθούν από την εσωτερική δομή του κτιρίου. Ο προσδιορισμός τέτοιων δυνάμεων ήταν απαραίτητος προτού οι πολεοδομικοί κώδικες προσδιορίσουν την απαιτούμενη αντοχή αυτών των κτιρίων ενώ οι δοκιμές αυτές εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται για μεγάλα ή ασυνήθιστα κτίρια.
Πολύ μεταγενέστερα, οι δοκιμές σε αεροδυναμικές σήραγγες εφαρμόστηκαν στα οχήματα, όχι τόσο για τον προσδιορισμό των αεροδυναμικών δυνάμεων, αλλά για τον προσδιορισμό τρόπων μείωσης της ισχύος που απαιτείται για την κίνηση του οχήματος σε οδοστρώματα με δεδομένη ταχύτητα. Σε αυτές τις μελέτες, η αλληλεπίδραση μεταξύ του δρόμου και του οχήματος διαδραματίζει σημαντικό ρόλο, και αυτή η αλληλεπίδραση πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ερμηνεία των αποτελεσμάτων των δοκιμών. Σε πραγματικές συνθήκες, ο δρόμος κινείται σε σχέση με το όχημα, αλλά ο αέρας είναι ακίνητος σε σχέση με το οδόστρωμα, αλλά στην αεροδυναμική σήραγγα ο αέρας κινείται σε σχέση με το οδόστρωμα, ενώ ο δρόμος είναι ακίνητος σε σχέση με το δοκιμαστικό όχημα. Ορισμένες αεροδυναμικές σήραγγες αυτοκινητοβιομηχανιών έχουν ενσωματώσει κινούμενες ζώνες κάτω από το δοκιμαστικό όχημα σε μια προσπάθεια να προσεγγίσουν την πραγματική κατάσταση και πολύ παρόμοιες συσκευές χρησιμοποιούνται σε δοκιμές αεροδυναμικών σηράγγων για την εξέταση των αεροσκαφών όταν απογειώνονται ή προσγειώνονται.
Οι δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας σε αθλητικό εξοπλισμό έχουν επίσης αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια, συμπεριλαμβανομένων μπαστουνιών γκολφ, μπαλών του γκολφ, κρανών για bobsled, ποδηλάτες και οδηγούς αγωνιστικών αυτοκινήτων. Η αεροδυναμική του κράνους είναι ιδιαίτερα σημαντική στα αγωνιστικά αυτοκίνητα με ανοιχτό cockpit (Indycar, Formula One). Μεγάλες δυνάμεις ανύψωσης στο κράνος μπορούν να προκαλέσουν σημαντική πίεση στο λαιμό του οδηγό και ο διαχωρισμός ροής στην πίσω πλευρά του κράνους μπορεί να προκαλέσει χτυπήματα και συνεπώς προβλήματα όρασης για τον οδηγό σε υψηλές ταχύτητες.
Η πρόοδος στη μοντελοποίηση μέσω της υπολογιστικής δυναμικής ρευστότητας (CFD) σε ψηφιακούς υπολογιστές υψηλής ταχύτητας έχει μειώσει τη ζήτηση για δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας. Ωστόσο, τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης CFD εξακολουθούν να μην είναι απολύτως αξιόπιστα και οι αεροδυναμικές σήραγγες χρησιμοποιούνται για την επαλήθευση των προβλέψεων της CFD.

Προέλευση

Ο Άγγλος στρατιωτικός μηχανικός και μαθηματικός Μπέντζαμιν Ρόμπινς (1707–1751) εφηύρε μια συσκευή περιστρεφόμενου βραχίονα για να προσδιορίσει την αντίσταση πραγματοποιώντας μερικά από τα πρώτα πειράματα στην ιστορία της αεροπορίας.
Ο Σερ Τζορτζ Κέιλι (1773–1857) χρησιμοποίησε επίσης έναν περιστρεφόμενο βραχίονα για να μετρήσει την αντίσταση και την άντωση διάφορων αεροτομών. Ο βραχίονας του είχε μήκος 1,5 μέτρο και είχε ταχύτητα 3 με 6 m/s. Ο Ότο Λίλιενταλ χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο βραχίονα για να μετρήσει με ακρίβεια τις πτέρυγες σε διάφορες γωνίες προσβολής, καθιερώνοντας το πολικό διάγραμμα του λόγου άντωσης προς αντίσταση, αλλά είχε ελλείψεις στην αντίληψη για την επαγόμενη αντίσταση και τους αριθμούς Reynolds.
Ωστόσο, ο βραχίονας περιστροφής δεν παράγει επαρκή ροή αέρα η οποία να προσκρούει στο μοντέλο δοκιμής υπό κανονική πρόσπτωση. Οι φυγόκεντρες δυνάμεις και το γεγονός ότι το αντικείμενο κινείται από μόνο του σημαίνει ότι είναι δύσκολη η λεπτομερής εξέταση της ροής του αέρα. Ο Φράνσις Χέρμπερτ Ουένχαμ (1824–1908), μέλος του Συμβουλίου της Αεροναυτικής Εταιρείας της Μεγάλης Βρετανίας, διευθέτησε τα ζητήματα αυτά με το να εφεύρει, να σχεδιάσει και να λειτουργήσει την πρώτη κλειστή αεροδυναμική σήραγγα το 1871. Μόλις επετεύχθη αυτή η ανακάλυψη, λεπτομερή τεχνικά δεδομένα εξήχθησαν γρήγορα με τη χρήση του εργαλείου. Ο Ουένχαμ και ο συνάδελφός του Τζον Μπράουνινγκ πιστώνονται με πολλές θεμελιώδεις ανακαλύψεις, συμπεριλαμβανομένης της μέτρησης των αναλογιών άντωσης/αντίστασης, και την αποκάλυψη των ευεργετικών αποτελεσμάτων της υψηλής αναλογίας.
Ο Κονσταντίν Τσιολκόφσκι κατασκεύασε μια ανοιχτή αεροδυναμική σήραγγα με φυγοκεντρικό φυσητήρα το 1897 και καθόρισε τους συντελεστές οπισθέλκουσας των επίπεδων πλακών, κυλίνδρων και σφαιρών. Ο Δανός εφευρέτης Πόουλ λα Κόουρ εφάρμοσε αεροδυναμικές σήραγγες στη διαδικασία ανάπτυξης και βελτίωσης της τεχνολογίας των ανεμογεννητριών στις αρχές της δεκαετίας του 1890. Ο Καρλ Ρίκαρντ Νίμπεργκ χρησιμοποίησε μια αεροδυναμική σήραγγα κατά το σχεδιασμό του Flugan από το 1897 και μετά.
Σε μια κλασική σειρά πειραμάτων, ο Άγγλος Όσμπορν Ρένολντς (1842–1912) του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ κατέδειξε ότι το μοντέλο ροής αέρα σε ένα μοντέλο κλίμακας θα ήταν το ίδιο για το σκάφος πλήρους κλίμακας εάν μια συγκεκριμένη παράμετρος ροής ήταν η ίδια στις δύο περιπτώσεις. Αυτός ο παράγοντας, γνωστός τώρα ως ο αριθμός Reynolds, είναι μια βασική παράμετρος στην περιγραφή όλων των καταστάσεων ροής του ρευστού, συμπεριλαμβανομένων των σχημάτων των μοτίβων ροής, της ευκολίας μεταφοράς θερμότητας και της εμφάνισης του στροβιλισμού. Αυτό αποτελεί την κεντρική επιστημονική αιτιολόγηση για τη χρήση μοντέλων σε σήραγγες για την προσομοίωση πραγματικών φαινομένων. Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμοί στις συνθήκες στις οποίες η δυναμική ομοιότητα βασίζεται μόνο στον αριθμό Reynolds.
Η χρήση απλών αεροδυναμικών σηράγγων από τους αδελφούς Ράιτ το 1901 για να μελετήσουν τις επιπτώσεις της ροής του αέρα πάνω από διάφορα σχήματα, αναπτύσσοντας το Wright Flyer, ήταν κατά κάποιο τρόπο επαναστατική. Μπορούμε να διαπιστώσουμε από τα παραπάνω ότι χρησιμοποιούσαν απλώς την αποδεκτή τεχνολογία της εποχής, αν και αυτή δεν ήταν ακόμα κοινή στην Αμερική.
Στη Γαλλία, ο Γκυστάβ Άιφελ (1832-1923) κατασκεύασε την πρώτη του αεροδυναμική σήραγγα ανοιχτής επιστροφής το 1909, με κινητήρα 50 kW, στο Πεδίο του Άρεως, κοντά στους πρόποδες του πύργου που φέρει το όνομά του. Μεταξύ 1909 και 1912, ο Άιφελ πραγματοποίησε περίπου 4000 δοκιμές στην αεροδυναμική του σήραγγα και ο συστηματικός πειραματισμός του έθεσε νέα πρότυπα για την αεροναυπηγική έρευνα. Το 1912 το εργαστήριο του Άιφελ μεταφέρθηκε στο Ωτέιγ, ένα προάστιο του Παρισιού, όπου η αεροδυναμική του σήραγγα με δοκιμαστικό τμήμα 2 μέτρων λειτουργεί ακόμη και σήμερα. Ο Άιφελ βελτίωσε σημαντικά την αποτελεσματικότητα της αεροδυναμικής σήραγγας ανοικτής επιστροφής, περικλείοντας το τμήμα δοκιμής σε ένα θάλαμο, σχεδιάζοντας μια φουσκωτή είσοδο με ένα καλούπι ισορροπίας ροής και προσθέτοντας ένα διαχυτή μεταξύ του τμήματος δοκιμής και του ανεμιστήρα που βρίσκεται στο κατάντη άκρο του διαχυτή. Αυτό ήταν μια διάταξη που ακολουθήθηκε από μια σειρά αεροδυναμικών σηράγγων που κατασκευάστηκαν αργότερα. Για την ακρίβεια η αεροδυναμική σήραγγα χαμηλής ταχύτητας ανοιχτής επιστροφής συχνά ονομάζεται αεροδυναμική σήραγγα τύπου Άιφελ.

Β΄ Παγκόσμιος Πόλεμος

Το 1941 οι ΗΠΑ κατασκεύασαν μία από τις μεγαλύτερες αεροδυναμικές σήραγγες εκείνη την εποχή στο Ράιτ Φιλντ στο Ντέιτον του Οχάιο. Αυτή η αεροδυναμική σήραγγα είχε άνοιγμα 14 μέτρων και στο βάθος είχε διάμετρο 6,1 μέτρων. Δύο ανεμιστήρες 12 μέτρων τροφοδοτούνταν από έναν ηλεκτροκινητήρα 40.000 ίππων. Μεγάλα μοντέλα αεροσκαφών θα μπορούσαν να δοκιμαστούν σε ταχύτητες αέρα 640 χλμ/ώρα).
Η αεροδυναμική σήραγγα που χρησιμοποιούνταν από Γερμανούς επιστήμονες στο Peenemünde πριν και κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου είναι ένα ενδιαφέρον παράδειγμα των δυσκολιών που συνδέονται με την επέκταση του χρήσιμου εύρους των μεγάλων αεροδυναμικών σηράγγων. Χρησιμοποιούσε μερικές μεγάλες φυσικές κοιλότητες, οι οποίες μεγάλωσαν σε μέγεθος με εκσκαφές και στη συνέχεια σφραγίστηκαν για να αποθηκεύσουν μεγάλους όγκους αέρα που θα μπορούσαν έπειτα να κατευθυνθούν μέσω των αεροδυναμικών σηράγγων. Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση επέτρεψε την εργαστηριακή έρευνα σε καθεστώτα υψηλών ταχυτήτων και επιτάχυνε σημαντικά το ρυθμό προώθησης των προσπαθειών της γερμανικής αεροναυτικής μηχανικής. Μέχρι το τέλος του πολέμου, η Γερμανία είχε τουλάχιστον τρεις διαφορετικές υπερηχητικές αεροδυναμικές σήραγγες, με τη μια να έχει δυνατότητα ροής αέρα με ταχύτητα 4,4 Μαχ.
Μια μεγάλη αεροδυναμική σήραγγα υπό κατασκευή κοντά στο Έτζταλ της Αυστρίας θα είχε δύο ανεμιστήρες τροφοδοτούμενους άμεσα από δύο υδραυλικούς στρόβιλους των 50.000 ίππων. Η εγκατάσταση δεν ολοκληρώθηκε μέχρι το τέλος του πολέμου και ο αποσυναρμολογημένος εξοπλισμός μεταφέρθηκε στο Μοντάν της Γαλλίας το 1946, όπου συναρμολογήθηκε και εξακολουθεί να λειτουργεί από την ONERA. Με το τμήμα δοκιμών των 8 μέτρων και ταχύτητα αέρα μέχρι 1 Μαχ είναι η μεγαλύτερη εγκατάσταση αεροδυναμικής σήραγγας στον κόσμο.
Στις 22 Ιουνίου 1942, η Curtiss-Wright χρηματοδότησε την κατασκευή μιας από τις μεγαλύτερες υποηχητικές αεροδυναμικές σήραγγες των ΗΠΑ στο Μπάφαλο, της Νέας Υόρκης. Τα θεμέλια του κτιρίου τέθηκαν στις 22 Ιουνίου 1942 σε μια τοποθεσία που ονομάστηκε Calspan, η οποία εξακολουθεί να λειτουργεί ως η μεγαλύτερη ανεξάρτητη αεροδυναμική σήραγγα στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Μέχρι το τέλος του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου, οι ΗΠΑ είχαν κατασκευάσει οκτώ νέες αεροδυναμικές σήραγγες, συμπεριλαμβανομένης της μεγαλύτερης στον κόσμο, στο Μόφετ Φιλντ κοντά στο Σάνιβεϊλ της Καλιφόρνια, η οποία σχεδιάστηκε για να ελέγχει αεροσκάφη πλήρους μεγέθους σε ταχύτητες κάτω των 400 χλμ/ώρα και μια κάθετη αεροδυναμική σήραγγα στο Ράιτ Φιλντ του Οχάιο, όπου η ροή ανέμου είναι προς τα πάνω για τη δοκιμή των μοντέλων σε καταστάσεις περιστροφής και των σχεδίων των πρώτων ελικοπτέρων που πέταξαν στις ΗΠΑ.

Μετά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο

Αργότερα η έρευνα για τις ροές αέρα κοντά ή πάνω από την ταχύτητα του ήχου χρησιμοποίησε μια σχετική προσέγγιση. Οι μεταλλικοί θάλαμοι πίεσης χρησιμοποιήθηκαν για την αποθήκευση αέρα υψηλής πίεσης, ο οποίος στη συνέχεια επιταχύνθηκε μέσω ενός ακροφυσίου σχεδιασμένου να παρέχει υπερηχητική ροή. Ο θάλαμος παρατήρησης ή οργάνων («τμήμα δοκιμής») στη συνέχεια τοποθετήθηκε στη σωστή θέση στο λαιμό ή το ακροφύσιο για την επιθυμητή ταχύτητα αέρα.
Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η ανησυχία σχετικά με την υστέρηση των αμερικανικών ερευνητικών εγκαταστάσεων σε σύγκριση με εκείνες που κατασκεύασαν οι Γερμανοί οδήγησε στο νόμο Ενιαίου Σχεδίου Αεροδυναμικών Σηράγγων το 1949, ο οποίος ενέκρινε δαπάνες για την κατασκευή νέων αεροδυναμικών σηράγγων σε πανεπιστήμια και στρατιωτικούς χώρους. Ορισμένες γερμανικές αεροδυναμικές σήραγγες της εποχής του πολέμου αποσυναρμολογήθηκαν και στάλθηκαν στις Ηνωμένες Πολιτείες στο πλαίσιο του σχεδίου εκμετάλλευσης των γερμανικών τεχνολογικών εξελίξεων.
Για περιορισμένες εφαρμογές, η υπολογιστική δυναμική ρευστών (CFD) μπορεί να συμπληρώσει ή ενδεχομένως να αντικαταστήσει τη χρήση των αεροδυναμικών σηράγγων. Για παράδειγμα, το πειραματικό πυραυλοκινούμενο αεροσκάφος SpaceShipOne σχεδιάστηκε χωρίς την χρήση αεροδυναμικών σηράγγων. Ωστόσο, σε μία δοκιμή, τα νήματα πτήσης προσαρτήθηκαν στην επιφάνεια των πτερυγίων, εκτελώντας έναν τύπο δοκιμής αεροδυναμικής σήραγγας κατά τη διάρκεια μίας πραγματικής πτήσης προκειμένου να βελτιωθεί το υπολογιστικό μοντέλο. Όπου υπάρχει εξωτερική τυρβώδης ροή, το CFD δεν είναι πρακτικό λόγω των περιορισμών στους σύγχρονους υπολογιστικούς πόρους. Για παράδειγμα, ένας τομέας που εξακολουθεί να είναι πολύ πολύπλοκος για τη χρήση του CFD, είναι ο καθορισμός των επιπτώσεων της ροής πάνω και γύρω από κτίρια, γέφυρες, έδαφος κ.λπ.
Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για την προσομοίωση της εξωτερικής τυρβώδους ροής είναι μέσω της χρήσης αεροδυναμικής σήραγγας οριακού στρώματος.
Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για μοντελοποίηση με τη χρήση αεροδυναμικής σήραγγας οριακού στρώματος. Για παράδειγμα, η κατανόηση της επίδρασης του ανέμου σε πολυώροφα κτίρια, εργοστάσια, γέφυρες κ.λπ. μπορεί να βοηθήσει τους σχεδιαστές κτιρίων να κατασκευάσουν μια δομή που να αντέχει στις επιπτώσεις του αέρα με τον πλέον αποτελεσματικό τρόπο. Μια άλλη σημαντική εφαρμογή της μοντελοποίησης μέσω αεροδυναμικής σήραγγας οριακών στρωμάτων είναι η κατανόηση των μοντέλων διασποράς των αερίων για νοσοκομεία, εργαστήρια και άλλες πηγές εκπομπής. Άλλα παραδείγματα εφαρμογών αεροδυναμικών σηράγγων οριακών στρωμάτων είναι οι εκτιμήσεις της άνεσης των πεζών και της μεταφοράς του χιονιού. Η μοντελοποίηση μέσω αεροδυναμικών σηράγγων είναι αποδεκτή ως μέθοδος υποβοήθησης της οικολογικής σχεδίασης κτιρίων.
Οι δοκιμές με αεροδυναμικές σήραγγες οριακού στρώματος επιτρέπουν την προσομοίωση της φυσικής οπισθέλκουσας της επιφάνειας της Γης. Για λόγους ακρίβειας, είναι σημαντικό να προσομοιώνουμε το προφίλ μέσης ταχύτητας ανέμου και τις επιδράσεις στροβιλισμού εντός του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος. Οι περισσότεροι κώδικες και πρότυπα αναγνωρίζουν ότι η δοκιμή αεροδυναμικών σηράγγων μπορεί να παράγει αξιόπιστες πληροφορίες για τους σχεδιαστές, ειδικά όταν τα έργα τους βρίσκονται σε πολύπλοκο έδαφος ή σε εκτεθειμένες περιοχές.
Στις Ηνωμένες Πολιτείες, πολλές αεροδυναμικές σήραγγες έχουν παροπλισθεί τα τελευταία 20 χρόνια, συμπεριλαμβανομένων μερικών ιστορικών εγκαταστάσεων. Ασκείται πίεση στις εναπομείνασες αεροδυναμικές σήραγγες λόγω της φθίνουσας ή ακανόνιστης χρήσης τους, του υψηλού κόστους ηλεκτρικής ενέργειας και σε ορισμένες περιπτώσεις της μεγάλης αξίας του ακινήτου στο οποίο βρίσκεται η εγκατάσταση. Από την άλλη, η επικύρωση CFD εξακολουθεί να απαιτεί δεδομένα αεροδυναμικών σηράγγων και αυτό είναι πιθανόν να συμβαίνει και στο προσεχές μέλλον. Έχουν γίνει μελέτες και άλλες βρίσκονται σε εξέλιξη για να εκτιμηθούν οι μελλοντικές ανάγκες στρατιωτικών και εμπορικών αεροδυναμικών σηράγγων, αλλά το αποτέλεσμα παραμένει αβέβαιο. Πιο πρόσφατα, η αυξημένη χρήση μη επανδρωμένων οχημάτων με κινητήρα τζετ αντικατέστησε μερικές από τις παραδοσιακές χρήσεις των αεροδυναμικών σηράγγων.

Τρόπος λειτουργίας

Ο αέρας εμφυσάται ή αναρροφάται μέσω ενός αγωγού εξοπλισμένου με θύρα προβολής και όργανα όπου τοποθετούνται μοντέλα ή γεωμετρικά σχήματα για μελέτη. Συνήθως ο αέρας κινείται μέσω της σήραγγας χρησιμοποιώντας μια σειρά ανεμιστήρων. Για πολύ μεγάλες αεροδυναμικές σήραγγες διαμέτρου αρκετών μέτρων, ένας μεγάλος μεγάλος ανεμιστήρας δεν είναι πρακτικός και έτσι αντ' αυτού χρησιμοποιείται μια σειρά παράλληλων πολλαπλών ανεμιστήρων για την παροχή επαρκούς ροής αέρα. Λόγω του απαιτούμενου όγκου και ταχύτητας κίνησης του αέρα, οι ανεμιστήρες μπορούν να τροφοδοτούνται από σταθερούς κινητήρες με στροβιλοκινητήρες και όχι από ηλεκτροκινητήρες.
Η ροή αέρα που δημιουργείται από τους ανεμιστήρες που εισέρχονται στη σήραγγα είναι από μόνη της εξαιρετικά τυρβώδης λόγω της κίνησης της λεπίδας του ανεμιστήρα και έτσι δεν είναι άμεσα χρήσιμη για ακριβείς μετρήσεις. Ο αέρας που κινείται μέσω της σήραγγας πρέπει να είναι σχετικά χωρίς στροβιλισμό και ελασματοειδής. Για τη διόρθωση αυτού του προβλήματος, χρησιμοποιούνται κατακόρυφα και οριζόντια πτερύγια σε μικρή απόσταση για την εξομάλυνση της τυρβώδους ροής αέρα πριν φτάσουν στο αντικείμενο δοκιμής.
Λόγω των επιδράσεων του ιξώδους, η εγκάρσια τομή μιας αεροδυναμικής σήραγγας είναι κατά βάση κυκλική και όχι τετραγωνική, διότι σε μια τετραγωνική σήραγγα υπάρχει μεγαλύτερη συστολή της ροής στις γωνίες η οποία μπορεί να κάνει τη ροή τυρβώδη. Μια κυκλική σήραγγα παρέχει ομαλότερη ροή.
Η εσωτερική όψη της σήραγγας είναι κατά κανόνα όσο το δυνατόν πιο ομαλή, για να μειωθεί η οπισθέλκουσα και η τύρβωση της επιφάνειας που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την ακρίβεια των δοκιμών. Ακόμη και οι λείοι τοίχοι προκαλούν έλξη στη ροή του αέρα και έτσι το αντικείμενο που δοκιμάζεται συνήθως κρατείται κοντά στο κέντρο της σήραγγας, με μια κενή ζώνη προστασίας μεταξύ του αντικειμένου και των τοίχων της σήραγγας. Υπάρχουν συντελεστές διόρθωσης που συσχετίζουν τα αποτελέσματα των δοκιμών της αεροδυναμικής σήραγγας με εξωτερικά αποτελέσματα.
Ο φωτισμός είναι συνήθως ενσωματωμένος στα κυκλικά τοιχώματα της σήραγγας και φέγγει μέσα από τα παράθυρα. Εάν το φως τοποθετηθεί στην εσωτερική επιφάνεια της σήραγγας κατά συμβατικό τρόπο, ο λαμπτήρας θα δημιουργήσει αναταράξεις καθώς ο αέρας ρέει γύρω του. Ομοίως, η παρατήρηση γίνεται συνήθως μέσω διαφανών οπών στη σήραγγα. Αντί να έχουν σχήμα επίπεδου δίσκου, αυτά τα παράθυρα φωτισμού και παρατήρησης μπορεί να είναι καμπυλωτά για να ταιριάζουν με τη διατομή της σήραγγας ώστε να μειώνουν περαιτέρω τη στροβιλισμό γύρω τους.
Διάφορες τεχνικές χρησιμοποιούνται για να μελετήσουν την πραγματική ροή αέρα γύρω από τη γεωμετρία και να τις συγκρίνουν με τα θεωρητικά αποτελέσματα, τα οποία πρέπει επίσης να λάβουν υπόψη τον αριθμό Reynolds και τον αριθμό Μαχ για το καθεστώς λειτουργίας τους.

Μετρήσεις πίεσης

Η πίεση στις επιφάνειες του μοντέλου μπορεί να μετρηθεί εάν το μοντέλο περιλαμβάνει βάνες πίεσης. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο για φαινόμενα στα οποία κυριαρχεί η πίεση, αλλά ισχύει μόνο για φυσιολογικές δυνάμεις που ασκούνται στο σώμα.

Μετρήσεις δύναμης

Με το μοντέλο τοποθετημένο σε ισορροπία δυνάμεων, μπορούν να μετρηθούν η άντωση, η οπισθέλκουσα, οι πλευρικές δυνάμεις, η εκτροπή, η περιστροφή και η κλίση σε μια σειρά γωνιών προσβολής. Αυτό επιτρέπει την δημιουργία συνηθισμένων διαγραμμάτων, όπως συντελεστή άντωσης προς γωνία προσβολής.
Σημειώστε ότι η ίδια η ισορροπία δυνάμεων δημιουργεί οπισθοδρόμηση και πιθανή αναταραχή που θα επηρεάσει το μοντέλο και θα εισαγάγει σφάλματα στις μετρήσεις. Οι δομές στήριξης είναι επομένως τυπικά ομαλά διαμορφωμένες ώστε να ελαχιστοποιούν τις αναταράξεις.

Οπτικοποίηση ροής

Επειδή ο αέρας είναι διαφανής, είναι δύσκολο να παρατηρηθεί άμεσα η κίνηση του αέρα. Αντ' αυτού, αναπτύχθηκαν πολλαπλές μέθοδοι για ποσοτικές και ποιοτικές μεθόδους απεικόνισης της ροής για δοκιμές σε αεροδυναμικές σήραγγες.

Αεροναυτικές αεροδυναμικές σήραγγες

Οι κυριότερες υποκατηγορίες στις αεροναυτικές αεροδυναμικές σήραγγες είναι:

Σήραγγες αεροσκαφών κάθετης απογείωσης-προσγείωσης (V/STOL)

Οι σήραγγες V/STOL απαιτούν μεγάλη επιφάνεια διατομής, αλλά μόνο μικρές ταχύτητες. Δεδομένου ότι η ισχύς ποικίλλει ανάλογα με τον κύβο της ταχύτητας, η απαιτούμενη ισχύς για τη λειτουργία τους είναι επίσης μικρότερη.

Σήραγγες περιστροφής

Τα αεροσκάφη έχουν την τάση να περιστρέφονται όταν χάνουν την ισορροπία τους. Αυτές οι σήραγγες χρησιμοποιούνται για να μελετήσουν αυτό το φαινόμενο.

Αεροακουστικές σήραγγες

Αυτές οι σήραγγες χρησιμοποιούνται στις μελέτες του θορύβου που παράγεται από τη ροή και την καταστολή του.

Υδροδυναμικά αυλάκια

Οι αεροδυναμικές αρχές των αεροδυναμικών σηράγγων λειτουργούν εξίσου στα σκάφη, με εξαίρεση ότι το νερό είναι πιο ιξώδες και έτσι ασκεί μεγαλύτερες δυνάμεις στο αντικείμενο που δοκιμάζεται. Επαναληπτικά αυλάκια χρησιμοποιούνται συνήθως για υποβρύχιες αεροδυναμικές δοκιμές. Η αλληλεπίδραση μεταξύ δύο διαφορετικών τύπων υγρών σημαίνει ότι οι καθαρές δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας είναι μόνο εν μέρει σχετικές. Ωστόσο, παρόμοιες δοκιμές γίνονται σε δεξαμενές ρυμούλκησης.

Δοκιμές υπερμεγέθων υγρών χαμηλής ταχύτητας

Ο αέρας δεν είναι πάντα το καλύτερο μέσο δοκιμής για τη μελέτη αεροδυναμικών αρχών μικρής κλίμακας, λόγω της ταχύτητας ροής του αέρα και της κίνησης του αεροτομής.

Δοκιμές μηχανικής ανέμου

Στην μηχανική του ανέμου, οι δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ταχύτητας γύρω από κατασκευές, και των δυνάμεων ή πιέσεων σε αυτές. Πολύ ψηλά κτίρια, κτίρια με ασυνήθιστα ή περίπλοκα σχήματα (όπως ένα ψηλό κτίριο με παραβολικό ή υπερβολικό σχήμα), γέφυρες με καλώδια αναλύονται σε εξειδικευμένες αεροδυναμικές σήραγγες οριακού στρώματος. Αυτές διαθέτουν ένα μακρύ τμήμα με τον αέρα να κινείται αντίθετα το οποίο αντιπροσωπεύει με ακρίβεια την ταχύτητα ανέμου και το προφίλ στροβιλισμού που επενεργεί στη δομή. Οι δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας παρέχουν τις απαραίτητες μετρήσεις της σχεδιαστικής πίεσης κατά τη χρήση της δυναμικής ανάλυσης και ελέγχου των ψηλών κτιρίων.