Badania w tunelu aerodynamicznym
Badania w tunelu aerodynamicznym były szeroko stosowane w przemyśle i badaniach naukowych przez ostatnie pięć dekad.
Badanie w tunelu aerodynamicznym to próba aerodynamiczna prowadzona w tunelu, w którym bada się zachowanie obiektu wystawionego na strumień powietrza odtwarzający warunki rzeczywiste.
Badania w tunelu aerodynamicznym wymagają kosztownej instalacji oraz zaawansowanej aparatury do pomiaru wielu wielkości pola (prędkość wiatru, obciążenia ciśnieniowe, intensywność turbulencji itd.).
Główne ograniczenie polega na tym, że pomiary uzyskuje się wyłącznie w kilku wybranych punktach przekroju pomiarowego, co znacznie ogranicza całościowe zrozumienie procesów zmiennych i przejściowych w przypadku złożonych zjawisk nieustalonych (takich jak odrywanie wirów, ślady turbulentne czy rozwarstwienie termiczne).
Kolejne etapy badania w tunelu aerodynamicznym
Od zdefiniowania celu po analizę wyników badanie w tunelu aerodynamicznym przebiega w sześciu etapach metodycznych:
- 1
Zdefiniowanie celu
Przed badaniem w tunelu aerodynamicznym trzeba jasno określić jego cel. Może nim być analiza oporu aerodynamicznego pojazdu, optymalizacja siły nośnej skrzydła samolotu albo ocena stateczności budynku pod działaniem wiatru.
- 2
Wykonanie modelu
Zwykle wykonuje się model badanego obiektu w zmniejszonej skali, tak aby dało się go zbadać w tunelu. Model powstaje z różnych materiałów: tworzywa sztucznego, drewna, a nawet z druku 3D.
- 3
Montaż modelu w tunelu aerodynamicznym
Gotowy model ustawia się w tunelu tak, by był wystawiony na strumień powietrza. Uchwyty oraz układy pomiarowe służą do utrzymania modelu w miejscu i do zbierania istotnych danych w trakcie badania.
- 4
Ustawienie warunków badania
Przed rozpoczęciem badania należy ustawić warunki, takie jak prędkość wiatru, temperatura oraz ciśnienie. Warunki te wynikają zwykle ze szczegółowej specyfikacji technicznej badanego obiektu.
- 5
Zbieranie danych
W trakcie badania prowadzi się pomiary i obserwacje pozwalające ocenić zachowanie obiektu w strumieniu powietrza. Może to być pomiar siły działającej na obiekt (opór, siła nośna), wizualizacja strug powietrza za pomocą technik wizualizacyjnych (dym, cząstki) czy pomiar ciśnień na powierzchni obiektu.
- 6
Analiza wyników
Zebrane dane są analizowane, aby wyciągnąć wnioski dotyczące zachowania aerodynamicznego obiektu. Wyniki przedstawia się najczęściej w postaci raportów technicznych, wykresów lub wizualizacji, które przekazują wnioski z analizy i ewentualne zalecenia optymalizacji badanego obiektu.
Modelowanie numeryczne badań tunelowych
CFD ma wiele przewag nad badaniami w tunelu aerodynamicznym.
Poza tym, że pozwala prowadzić symulacje w skali rzeczywistej (zamiast modeli pomniejszonych, typowych dla badań fizycznych), dostarcza również danych uzupełniających i umożliwia jednoczesne porównanie prędkości wiatru w dwóch punktach dla zadanego wiatru.
Można prowadzić analizy hydrologiczne, przepływowe i termiczne w różnych skalach: od mikroelektroniki po analizy budynków i miast.
Od mikroelektroniki po skalę miasta
Ta sama metoda CFD obejmuje analizy hydrologiczne, przepływowe i termiczne we wszystkich skalach: od kilkumilimetrowego elementu elektronicznego po dzielnicę miasta, czyli w zakresie trudnym do objęcia modelami fizycznymi.
Wyniki można czytelniej zwizualizować i wyjaśnić szerokiemu gronu odbiorców.
Tunel aerodynamiczny czy CFD: co wybrać?
W tych samych zagadnieniach aerodynamicznych obie metody nie grają w tej samej lidze. Podsumowanie różnic:
| Kryterium | Badanie w tunelu aerodynamicznym | Symulacja CFD |
|---|---|---|
| Skala modelu | Model w zmniejszonej skali (tworzywo, drewno, druk 3D) | Symulacja w skali rzeczywistej, bez modelu fizycznego |
| Zasięg pomiarów | Kilka wybranych punktów przekroju pomiarowego | Pełne pole; jednoczesne porównanie prędkości w dwóch punktach dla zadanego wiatru |
| Złożone zjawiska nieustalonewiry, ślady turbulentne, rozwarstwienie termiczne | Ograniczone zrozumienie całości | Odwzorowane procesy zmienne i przejściowe |
| Instalacja i aparatura | Kosztowna instalacja, zaawansowana aparatura | Analiza numeryczna: skuteczna i ekonomiczna alternatywa |
| Prezentacja wyników i przystępność | Raporty techniczne, wykresy, punktowe wizualizacje | Wyniki czytelniej zwizualizowane i zrozumiałe dla szerokiego grona |
| Aeroakustykahałas pochodzenia aerodynamicznego | Zwykle trafniejsza: bezpośredni pomiar hałasu aerodynamicznego | Symulacja możliwa, lecz złożona i bardzo kosztowna |
| Klimat i zjawiska pogodowedeszcz, śnieg, szron | Zaawansowane tunele klimatyczne: możliwość natrysku deszczu i odtworzenia klimatu | Możliwe do zamodelowania, ale trudne do wiernego odtworzenia |
CFD: bardzo szerokie spektrum zastosowań
Metody te pozwalają rozwiązać bardzo szerokie spektrum zagadnień. CFD działa jak prawdziwy zestaw narzędzi: od przepływu płynów po wymianę ciepła, z multifizyką i hydrologią włącznie.
Zestaw narzędzi
- Symulacja przepływu płynu wokół ciała lub w jego wnętrzu
- Analiza: komfort wiatrowy
- Analiza obciążeń wiatrem
Zestaw narzędzi termicznych
- Analiza wymiany konwekcyjnej
- Analiza wymiany przewodzeniowej
- Analiza wymiany radiacyjnej
Zestaw narzędzi multifizycznych
- Wizualizacja rozprzestrzeniania zanieczyszczeń
- Analiza oddymiania
- Analiza przemieszczania pyłu, piasku…
- Analiza ruchu obiektów, wentylatorów…
Analiza hydrologiczna
- Przepływ płynów
- Ryzyko podtopienia
- Ryzyko deszczu lub śniegu
Siatka obliczeniowa, warunki brzegowe, model turbulencji: poznaj podstawy analizy CFD.
Czy naprawdę należy porzucić tunel aerodynamiczny?
To pytanie zasługuje na coś więcej niż hasło. Oto wyważona odpowiedź w świetle wszystkiego, co powyżej.
Badania tunelowe przestarzałe? Nie do końca, ale CFD stała się rozwiązaniem pierwszego wyboru.
Tunel aerodynamiczny zachowuje wartość referencyjnego badania fizycznego przy kalibracji modelu lub weryfikacji przypadku krytycznego. Jednak w zdecydowanej większości zagadnień aerodynamicznych, termicznych i multifizycznych w budownictwie i przemyśle symulacji CFD jest skuteczną i ekonomiczną alternatywą: pracuje w skali rzeczywistej, odwzorowuje pełne pole zamiast kilku punktów pomiarowych i pozwala przebadać dowolną liczbę wariantów bez wykonywania nowego modelu.
Bez modelu pomniejszonego
Rzeczywista geometria budynku lub miasta jest symulowana wprost, bez konieczności korygowania efektu skali.
Cały obszar, a nie kilka sond
Prędkość, ciśnienie, temperatura i turbulencja są znane wszędzie, także w zjawiskach nieustalonych.
Iteracje bez nowych modeli
Każdy wariant projektowy uruchamia się ponownie w obliczeniach, podczas gdy tunel wymaga nowego modelu fizycznego.
