Dimensionarea Unui Tunel de Vânt de Mică Viteză în Circuit Închis

MINISTERUL EDUCAȚIEI,CERCETĂRII,TINERETULUI ȘI SPORTURLUI

PROIECT DIPLOMĂ

Dimensionarea unui tunel de vânt de mică viteză în circuit închis

Coordonator

Conf.univ.dr NICOLAE ALBOIU

Absolvent

IORDACHE IONUT

1.UTILIZAREA TUNELELOR AERODINAMICE IN DOMENIUL IN DOMENIUL INGINERIEI CIVILE

1.1.Introducere

Cercetarile experimentale de aerodinamica sunt strâns legate de experimentele realizate în tunele aerodinamice, numite si suflerii. În camerele de experiente ale acestora se reproduc conditiile de mediu în care structurile aeromecanice testate evoluează în mod curent.

1.2 Scurt istoric

Primul tunel aerodinamic a fost conceput și realizat de Francis Herbert Wenham în perioada 1867-1871. Au urmat tunelul cu injecție de abur utilizat de către Phillips în perioada 1884-1885 și tunelul aerodinamic realizat de Irmingen în anul 1893 în Danemarca. De asemenea, unul dintre primele tunele aerodinamice este tunelul utilizat de Gustave Eiffel pentru încercarea în vânt a construcțiilor proiectate .

Figura 3 – tunel de vânt din lemn

Cercetătorii secolului al XIX-lea au studiat indeaprope zborul pasarillor și au început construirea aparatelor de zbor după modelul aerodinamic al păsărilor , aparate de zbor care au eșuat ulterior.Ei au realizat că studiile nu erau destul de eficiente,și nu cunoșteau toate forțele care acționează asupra aparatelor de zbor.S-au construit laboratoare în care părțile componente ale aparatului de zbor (aripi, fuzelaje, și suprafețele de control),pot fi testate în condiții controlate.

Tunelul aerodinamic este indinspensabil dezvoltării construcției avioanelor moderne.

Rolul unui tunel aerodinamic este acela de a determina cu mare exactitate momentele și forțele care acționează asupra unei aeronave în zbor.

Teoriile aerodinamice ale lui Newton au fost mai puțin optimiste.Pe baza raporturilor obținute în laborator aripile aeronavelor ar susine sarcini substanțiale,ceea ce face mult mai aeroplane par mai ușor de realizat decât se credea anterior posibil.

Odată cu apariția tunelului de vânt aerodinamic au început să se înțeleagă factorii care conduc la ridicare și rezistența la înaintare. Aproape toate testele în tunelul aerodinamic au fost realizate la scară redusă, deoarece toate tunelele aerodinamice capabile să manevreze modele de aeronave la scară mai mare sunt foarte scumpe.

De-a lungul timpului a trebuit să se dezvolte o metodologie de aplicare a datelor la scara-model pentru aeronave cu scara cât mai largă.

1.3 Domeniile ingineriei vântului care necesită cercetări în tunel aerodinamic

-Studiaza acțiunea vântului pe clădiri din stratul limita atmosferic fără a avea un răspuns dinamic . Se studiază distribuțiile de presiune pe suprafețele structurilor dar și forțele și momentele care rezultă din acțiunea vântului și a structurilor.

-Studiaza acțiunea vântului din stratul limita atmosferic pe clădiri sau structuri cu răspuns dinamic. În această situație se studiază comportamentul oscilatoriu al acestor clădiri. În această categorie pot fi încadrate clădirile înalte , coșuri de fum de mare înălțime, castele de apă.

-Se studiază acțiunea combinată a vântului și a zăpezii pe structuri. Se urmărește zona cea mai aglomerată de zăpadă, de pe acoperișurile clădirilor, drumuri, poduri, aeroporturi.

-Se studiază aerodinamica zonelor construite unde se urmărește confortul pietonal , și ne interesează menținerea vitezei medii și a turbulenței.

-Se studiază posibilitatea captării energiei eoliene. Se urmăresc performanțele și aerodinamica turbinelor eoliene ,și a problemelor din amplasament.

-Se studiază dispersia poluanților gazoși în atmosferă. În acest caz se urmărește concentrația de poluant care este emis în atmosfera de sursele industriale.

Procesul de modelare în tunel aerodinamic are la bază o etapă teoretică , și o etapă experimentală .

În etapa teoretică se vor stabili condițiile de similitudine și modul în care aceastea pot fi realizate/

În etapă experimentală consta în construirea modelelor și realizarea măsurătorilor și diverse aparate de măsură.

Domeniul de automodelare reprezintă o caracteristică specifică de desfășurare a experimentelor , atât în natură cât și pe model , astfel nu este necesar îndeplinirea tuturor condițiilor de similitudine. Astfel se pot realiza determinări experimentală la viteze mari în zona experimentală a tunelului aerodinamic cu strat limita.

Deoarece exista dificultăți în a stabili soluțiile analitice sau chiar numerice , s-au impus ca necesare experimente în tunel aerodinamic , care este singura modalitate de a oferi date complete în activitatea de proiectare. Cel mai important fenomen care ne interesează este acțiunea vântului pe construcții și sisteme de captare a energiei eoliene. Studiul în tunel aerodinamic se bazează pe modele amplasate într-un curent de aer cu anumite viteze și temperaturi ,experiment ce se realizează în vana experimentală .

Tunelurile aerodinamice sunt utilizate pentru a verifica teoriile aerodinamice și pentru a facilita în general proiectarea aeronavelor . Aceste tunele aerodinamice se folosesc și în alte domenii , cum ar fi industria automobilelor , arhitectura , mediu , educație .

O caracteristică esențială a tunelurile aerodinamice este calitatea debitului în interiorul camerei de încercare.

Sunt utilizate de obicei trei criterii principale pentru a define tunelul aerodinamic:

-Viteza maximă atinsă , uniformitatea debitului și a nivelului de turbulență .

Prin urmare obiectivul de proiectare dintr-un tunel aerodinamic este de a obține un debit controlat în camera de testare și atingerea calității parametrilor necesari.

Design-ul tunelurilor aerodinamice depinde în principal de domeniul în care va fi folosit.

Tunelul de vânt aerodinamic , dimensionat , este format dintr-o cameră de testare , un difuzor, un confuzor curbiliniu și un ventilator.

Restul componentelor au rolul de a servi la închiderea tunelului aerodinamic minimizant pierderea de presiune. De asemenea difuzorul și cotul nr 1 au o influență de aproximativ 50% din totalul de pierderi de presiune.

Criteriile de design sunt legate de cerințele și specificațiile care trebuie să fie în conformitate cu cerințele tunelului de vânt .

Costurile de funcționare ale tunelului de vânt sunt strict legate de domeniul folosirii lui.

În cazul în care tunelul este proiectat în scopuri educaționale sau industriale calitatea debitului de aer poate fi neglijabilă. În cazul cercetărilor și aplicațiilor aeronautice calitatea debitului de aer este foarte importantă , rezultant costuri mai mari în constructive și costuri mai mari operaționale.

Principalele caracteristici ale tunelului de vânt sunt dimensiunile camerei de testare și viteza maxim de funcționare dorită. Împreună cu acestea calitatea debitului de aer, nivelul de turbulențe și uniformitatea debitului trebuie să fie specificate în conformitate cu cererile.

Calitatea debitului este una din principalele caracteristici ale tunelului de vânt , este rezultatul întregului design al tunelului și nu poate fi verificată în timpul testelor de calibrare .

Fiecare component a tunelului de vânt va fi analizată în detaliu pentru a obține cel mai bun design .

O altă componentă importantă a tunelui o reprezintă palele directoare care au rolul de a reduce pierderile de presiune din coturile tunelului și de a îmbunătății calitatea debitului de aer.O caracteristică importantă o reprezintă spațierea dintre pale și posibilitatea de marii debitul de aer prin aceste pale directoare.

Pentru a finaliza procesul de design trebuie definite echipamentele de măsură și de calibrare.

Deoarece forțele care acționează asupra obiectului testat sunt mici , vibrațiile provocate de componentele tunelului de vânt pot influența rezultatul testului făcut , și de aceea este foarte important alegerea unui echilibru al forțelor , pentru a obține măsurători precise.

2 Simularea stratului limita atmosferic in studiile aerodinamice

2.1 Simularea stratului limita atmosferic dinamic în tunel aerodinamic cu strat limita

Sunt utilizate dferite procedee pentru simularea profilului de viteză în vena tunelului aerodinamic. Aceste procedee sunt în funcție de tipul tunelului aerodinamic. Astfel în tunele cu lungimea zonel experimentale între 3m și 4 m profiful vertical al vântului se realizează în mod artificial utilizând plase,rilaje,etc

În tunele cu cu lungimea zonei experimentale foarte mare sunt amplasate pe pardoseala obstacole a căror caracteristici pot fi modificate obținând o rugozitate artificială în tunel.

Figura – structura stratului limita atmosferic

2.2 Realizarea conditiilor la limita

Pentru a obține o similitudine completă și corectă , pe lângă similitudinea dinamică și termică este necera asigurarea reproducerii condițiilor la limită . Această cerință presupune realizarea unei similitudini în zona curentului de aer precum și la limita inferioară a acestuia. Pentru aceasta trebuie realizate condițiile de distribuție ale vitezelor , temperaturilor și presiunilor în amonte de model precum și în zona stratului de deasupra lui.

2.3 Modelare stratului limita neutru

Stratul limita se poate fi modela în tunel aerodinamic folosind parametrii utilizați în aerodinamică , pentru a obține viteza medie a vântului din stratul limita atmosferic. Acești parametri sunt viteza de frecare U și înălțimea rugozitatuii Z˳. Obținea unei viteze de frecare U adecvată nu este dificilă deoacere viteza de frecare este exprimată prin : U=U̥(cf)½

Unde cf este coeficientul local de frecare . Pentru o viteză medie locală data U , coeficientul de frecare depinde numai de distanța față de intrarea în zona experimentală a tunelului aerodinamic sau de grosimea stratului limita δ și de vâscozitatea aerului v.

2.4 Modelarea stratului limita stratificat

Cea mai importantă problemă din stratul limita stratificat o constituie distribuția de viteze. În urma studiului făcut , s-a ajuns la concluzia că efectul stratificării asupra distribuției de viteze este este neglijabil, adică profilul distribuției de viteze din stratul limita stratificat este același cu profilul vitezelor din stratul limita , care este caracterizat printr-o stabilitate neutră.

Pe de altă parte cercetătorii au ajuns la concluzia că pentru numere Richardson mari efectul stratificării nu mai poate fi neglijat, astfel s-au propus o serie de ecuații caracteristice. Numerele Richarson mari se întâlnesc în mod frecvent în natură în timp ce numere Richardson mici, pot fi obținute într-un laborator , într-un tunel aerodinamic.

De aceea pentru utilizarea tunelelor aerodinamice cu strat limita dinamic și termic , s-a impus reproducerea la scara modelului a numerelor Richardson din natură.

2.5 Proprietățile generale ale turbulentei atmosferice

Ținând cont de teoria turbulentei a lui Kolmogorov, se admite ca mișcarea turbulenta este formată din pusatii de mărimi diferite, de la dimensiuni caracteristice curgerii medii până la limita inferioară atunci când curgerea devine laminara. Pentru numere Reynolds foarte mari (Re=106…107), vârtejurile nu sunt stabile , și sub acțiunea pulsatiiilor de scară mică , are loc o suprapunere a pulsațiilor cu un ordin de mărime mai mic. Procesul de degradare se repeta până când numărul Reynolds este prea mic pentru a mai permite formarea unor noi vârtejuri. După acest nivel mișcarea devine laminara, iar energia turbulenta transmisă prin suprapunerea vârtejurilor se disipează prin frecare vâscoasă.

Doar pentru vârtejurile de scară mare trebuie să se ia în considerare mărimile medii ale curgerii.

Utilizarea reprezentării Fourier în ecuațiile de mișcare Navier-Stokes permite obținerea ecuației energiei. Studiul făcut pe baza acestei ecuații a condus la clasificarea vârtejurilor în două categorii:

-vartejuri mari , care au numere de unde mici , și conține cea mai mare parte a mișcării turbulențe.

-vartejuri mici,care au numere de undă mari, iar aici se produce fenomenul de disipare a energiei prin intermediul vâscozității moleculare

Cu cât numărul de undă este mai mare cu atât dimensiunea vârtejurilor este mai mică.

Prin domeniul numerelor de undă ,proprietățile de mai sus au condus la formarea celor două ipoteze de similitudine ale lui Kolmogorov:

Prima ipoteză de similitudine a lui Kolmogorov: proprietățile medii ale componentelor de scară mică (numere de undă mari) ale mișcării turbulențe depind numai de energia transportată pe unitatea de timp și de masă și de energia disipată prin vâscozitatea moleculară . Astfel, rezultă că, deoarece mișcarea turbulenta la scară mică este dependentă numai de parametrii interni ai curgerii , aceasta este independentă de condițiile externe. Prin urmare, izotropia locală a turbulentei la scară mică este respectată

A doua ipoteză de similitudine a lui Kolmogorov: se poate admite ca disiparea energiei se produce în întregime la nivelul celor mai mici vârtejuri. Deci, la limita de jos a domeniului numerelor de undă mari , se aplică prima ipoteză a lui Kolmogorov, influenta vâscozității este mică. În acest subdomeniu, conoscut sub numele de subdomeniu inerțial se poate presupune că mișcarea vârtejurilor este în dependență de vâscozitate. Prin urmare, în domeniul vârtejurilor mari, exista un subdomeniu inerțial pentru care proprietățile medii turbulențe depind numai de transferul de energie.

2.6 Rezistentele hidraulice ale rețelelor

În fiecare rețea ca și în porțiunile ei separate o parte din energia totală folosită pentru a învinge forțele rezistentelor hidraulice , este pentru ea pierdută definitiv, deoarece datorită vâscozității moleculare și turbulențe a fluidului în mișcare , lucrul mecanic al forțelor de rezistență se transformă ireversibil în căldură.

De aceea energia totală a curentului în porțiunea dată a elementului cilindric rămâne constantă în lipsa transmisiei de căldură prin pereți.Starea curentului se modifică în acest caz deoarece presiunea scade . Temperatura însă nu variază în lungul curentului dacă viteza este constantă. Acesta se explică prin faptul că lucrul mecanic de dilatare, condiționat de scăderea presiunii, se transformă integral în lucru mecanic al forțelor de rezistență și căldura care apare din acest lucru mecanic compensează răcirea produsă ca urmare a dilatării.

În același timp , energia primită de curent , datorită lucrului mecanic al ventilatorului.

Există două feluri de pierderi ale presiunii totale :

1)pierderi distribuite Δpd

2)pierderile locale Δpl

Pierderea distribuită este provocată de vâscozitatea lichidelor și gazelor reale , care apare la mișcare lor și constituie rezultatul schimbului de cantitate de mișcare între molecule , precum și între diferite particule ale straturilor învecinate ale fluidului care se mișca cu viteze diferite.

Pierderile locale de presiune totală apar la perturbarea locală a curgerii normale, desprinderea curentului de pereți , formarea vârtejurilor și amestecarea turbulenta intensivă a curentului în locul schimbării configurației elementului cilindric sau la întâlnirea și ocolirea obstacolelor (intrarea fluidului în conductă,contracția , inconvoierea și derivarea curentului ;scurgerea fluidului prin orificii, grătare . dispozitive de strangulare ;filtrarea prin corpuri porosoase;ocolirea diferitelor obstacole). Aceste fenomene intensifică schimbul de cantitate de mișcare între particulele fluidului în mișcare, mărind disiparea de energie.

Dintre pierderile locale de presiune fac parte de asemenea și pierdere de presiune dinamică la ieșirea fluidului din rețea în atmosferă

Fenomenul de desprindere și formare a vârtejurilor este legat de existența diferențelor de viteze în secțiunea transversală a curentului și a gradientului de presiune pozitiv în lungul curentului . Aceasta din urmă apare, conform relației lui Bernoulli , la încetinirea mișcării. Diferența de viteze în secțiunea transversală , în cazul gradientului de presiune negativ , nu duce la desprinderea curentului. Pe porțiunile de îngustare lina curentul este chiar mai stabil decât pe porțiunile de secțiune constantă.

Pierderile de presiune totală în orice element complex al elementului cilindric sunt indivizibile din punct de vedere fizic. Pentru comoditatea calculului, aceste pierderi sunt adesea împărțite convențional în aceeași secțiune a elementului cilindric în pierderi locale (Δpl) și pierderile distributive (Δpd) . În acest caz se consideră că pierderile locale sunt concentrate într-o singură secțiune, deși în realitate și ele se extind pe o lungime relativ mare .

Ambele feluri de pierderi se însumează după principul suprapunerii pierderilor, pentru care se ia suma aritmetică a pierderilor distribuite și a pierderilor locale.

Δpr= Δpd+Δpl

Valoarea Δpd trebuie luată în considerare numai pentru părțile prelucrate de lungime relativ mare sau atunci când această valoare este apropiată ca valoare de distribuite Δpl.

La calculele hidraulice moderne se operează cu coeficientul adimensional al rezistenței hidraulice, foarte comod prin faptul că în curenții dinamic asemenea, pentru care se respectă asemănarea geometrică a sectoarelor și egalitatea numerelor Reynolds , acestea are aceeași valoare independent de felul fluidului, precum și de viteza curentului și dimensiunile sectoarelor calculate.

Coeficientul de rezistență hidraulică constituie raportul dintre puterea totală pierdută distribuite ΔN pe porțiunea dată și energia cinetică ( în unitatea de timp) în secțiunea adoptată A

ζ r= ΔN /

Sau în cazul densității constante rapotul dintre presiunea totală pierdută ΔP și presiunea dinamică adoptată în secțiunea A

ζ r = ΔP/

Mărimea ζ r depinde de viteză de calcul,prin urmare de secțiunea la care aceasta este raportată.Coeficientul de rezistență , cu considerarea vitezei curentului în secțiunea dată A₁ se recalculează pentru altă secțiune A˳ în cazul general din formula:

ζ r˳= ζ r₁x x x ( )³

sau cand ˳=₁

ζ r˳= ζ r₁ x ( )²

Coeficientul de rezistență locală ζl depinde mai ele de parametrii geometrici ai elementului cilindric, precum și de câțiva factori generali ai mișcării , dintre care fac parte:

Caracterul distribuției vitezei la intrarea fluidului în elementul examinat al conductei; distribuția vitezei depinde la rândul său de regimul de curgere , de forma intrării în canal, de forma și desitanta până la diferite părți prelucrate și obstacole, amplasate înainte de elementul examinat, de lungimea porțiunii drepte precedente

Numărul Reynolds

Numărul Mach M=V/a V-viteza obiectului relativă la mediu a- este viteza sunetului în același mediu

Principiul însumării pierderilor se aplică nu numai la calculul unui element separat al elementului cilindric , dar și la calculul hidraulic al rețelei în ansamblu. Aceasta înseamnă că suma aritmetică a pierderilor în diferite elemente ale conductei exprima rezistenta totală a rețelei Δpd. În acest caz se înțelege ,desigur, că s-a luat în considerare influenta reciprocă a elementului rețelei, situate la distanță mică între ele.

2.7 Explicații și recomandări practice

În cazul mișcării turbulențe cu numere Reynolds Re= mari, viteaza variază în principiu în limitele stratului subțire de lângă perete. De aceea se utilizează Dh ca dimensiune caracteristică, atunci legea rezistenței pentru conductele cu secțiune transversală de diferite forme se dovedește aproximativ identică. Dar și în cazul mișcării turbulențe, pentru diferite forme geometrice ale secțiunii conductei coeficientul lui Darcy λ are valori diferite.

Pentru calculul rezistenței hidraulice al elementului cilindric în cazul mișcării laminare stabilizate nu se poate folosi Dh. În acest regim, întrebuințarea lui este admisă numai pentru partea de intrare a porțiunii initialale a conductei, când grosimea este încă foarte mică.

Rezistența la mișcarea fluidului în regim laminar este condiționată de forțele de vâscozitate, care apar la deplasarea unui strat de fluid în raport cu celălalt. Forțele de vâscozitate sunt proporționale cu puterea întâi a vitezei curentului

Datorită faptului că în regim laminar forțele de vâscozitate sunt predominante , chiar și mișcarea de pe lângă asperitățile suprafeței rugoase este lina. De aceea rugozitatea pereților , dacă aceasta nu este foarte mare , nu influențează asupra valorii rezistenței și coeficientul de rezistență distribuită în acest regim depinde totdeauna numai de numărul Reynolds.

La creșterea numărului Reynolds încep să predomine forțele de inerție, proporționale cu pătratul vitezei. Totodată apare mișcarea turbulență, care se caracterizează prin apariția unor componente transversale ale vitezei , ce provoacă amestecarea fluidului în întregul domeniu și schimbul de cantitate de mișcare între masele de fluid în mișcare haotică. Toate acestea duc la o creștere bruscă a rezistenței la mișcare în regim turbulent, în comparație cu regimul laminar.

În practică , conductele pot fi atât netede cât și rugoase . Totodată rugozitatea poate fi omogena și neomogena.Ambele genuri de rugozitate se disting după forma asperităților, dimensiunile lor , spațiile dintre ele. Majoritatea conductelor tehnice se caracterizează prin rugozitate neuniformă.

Cu toate că pentru conductele netede , la creșterea numărului Re, coeficientul lui Darcy trebuie să se micșoreze , în conductele rugoase la creșterea acestui număr se constată o creștere a coeficientului λ, rugozitatea geometrică rămânând invariabila. Acesta se exprimă prin influența substratului laminar.

La creșterea numărului Reynolds se micșorează grosimea substratului laminar și atingerea unei anumite valori a numărului Re, ea poate fi mai mică decât înălțimea asperităților. În acest caz asperitățile intensifică formarea turbioanelor și, prin urmare, măresc pierderile de presiune , ceea ce exprima prin creșterea coeficientului λ la mărirea numărului Re.

Astfel conductele pot fi considerate netede cât timp înălțimea asperităților rugozității este mai mică decât grosimea substratului laminar.

Rugozitatea echivalentă Δ depinde de :

a)meterialul și procedeul de producție a țevilor; totodată , țevile executate prin același procedeu , de regulă , au aceeași rugozitate echivalentă independent de diametru

b)proprietățile fluidului care curge prin conductă;influența fluidului asupra suprafeței interioare a conductei se poate manifesta prin apariția coroziunii pereților, formarea unor proeminente și depunerea sedimentelor.

c)durata de exploatare a conductelor

Rezistența porțiunilor inițiale ale conductelor, caracterizate prin faptul că în ele curgerea este nestabilizată este mai mare decât pe porțiunile de curgere stabilizată.

Cu cât porțiunea de conducta este mai aproape de colectorul de intrare , cu atât coeficientul lui Darcy λ al porțiunii de curgere nestabilizată este mai mare . Aceasta se implica prin faptul că la intrarea cu forme line, grosimea stratului limita în secțiunile apropiate de intrare este mult mai mică decât în cele următoare și, prin urmare , tensiunile provocate de forțele de vâscozitate în zona pereților sunt mai mari în aceste secțiuni. Aceasta se referă atât la curgerea laminară nestabilizată , dacă mișcarea este deja turbulenta la intrarea în conductă.

3 TUNELE AERODINAMICE

3.1 CLASIFICAREA TUNELELOR AERODINAMICE

Principalele criterii după care se pot clasifica tunele de vânt sunt:

-dupa arhitectura acestora, se disting tunele aerodinamice cu circuit deschis, sau cu circuit închis

-dupa tipul camerei de experiențe, se disting tunele aerodinamice cu camera de experiențe deschisă (prezintă avantajul unor interferențe reduse între modelul studiat și pereții camerei de testare, dar sunt mari consumatoare de energie), sau cu camera de experiențe închisa, (prezintă avantajul unui consum de energie mai mic);

Figura – Schema de principiu al unui tunel cu circuit deschis și camera de testare închisa

Figura – Schema de principiu al unui tunel cu circuit închis și camera de testare deschisă

-dupa valoarea vitezei maxime de referință (din camera de experiențe), se pot clasifica în tunele aerodinamice subsonice incompresibile, subsonice compresibile și supersonice;

-dupa valoarea presiunii din camera de experiențe, pot fi tunele aerodinamice atmosferice sau presurizate, de densitate variabilă.

Pe lângă tunelele aerodinamice descrise anterior s-au mai construit și unele cu destinație specială cum ar fi cele de vizualizare a curgerii, aeroacustice

3.2 Tipuri de tunele aerodinamice

3.2.1 Tunele aerodinamice cu venă scurtă, cu strat limita dinamic simulat în mod artificial

Tunlele aerodinamice cu strat limita artificial sunt carcterizate printr-o venă experimentală scurtă în interiorul căreia, prin intermediul unor dispozitive pasive (bare, plăci perforate, grilaje, plase) sau a unor dispozitive active ( duze pentru lansat jeturi) , se poate simula stratul limita atmosferic , din punct de vedere al carcteristici dinamice , în mod artificial. Din acest motiv, acest tip de tunele se mai numesc și tunele aerodinamice cu strat limita dinamic artificial.

Din această categorie de tunele aerodinamice sunt prezentate , pe scurt, prin elementele și carcteristicile lor principale, câteva tipuri de tunele:

3.2.1.1 Tunel aerodinamic cu circuit deschis , tip Eiffel

La acest tip de tunel aerodinamic , zona experimentală , relative scurtă , este situate între un confuzor și un difuzor și poate avea venă liberă sau venă limitată. În cazul în care venă tunelului aerodinamic este liberă,este necesară prevederea în jurul zonei experimentale a unei camera etanșe care, în cazul unui tunel cu venă limitată, poate lipsi. Tunelele aerodinamice de acest tip , care au dimensiuni relative mici, pot fi amplasate în interiorul unei încăperi prin care se realizează închiderea circuitului aerodinamic. În acest caz , parametrii aerului vehiculat prin zona experimentală nu sunt influențați de modificările care pot apărea la parametrii aerului atmosferic exterior.

La tunelele aerodinamice cu circuit deschis și venă scurtă , de dimensiuni mari, aspirația aerului prin confuzor se face direct din atmosfera , iar refularea tot în atmosfera, având dezavantajul că parametrii aerului din tunel sunt influențați de condițiile atmosferice.

Stratul limita atmosferic este simulat la astfel de tunele aerodinamice prin utilizarea unor dispozitive passive care pot simula profilul de viteză medie și nivelul de turbulentă specific studiului experimental

3.2.1.2 Tunel aerodinamic cu circuit închis și venă ghidată

Acest tip de tunel aerodinamic face parte din categoria tunelelor cu venă experimentală scurtă și strat limita artificial, la care circuitul de este este închis, tunelul fiind prevăzut cu o tubulatură de retur. Venă experimentală este ghidată, adică limitată prin pereți solizi. Și la acest tip de tunel aerodinamic, stratul limita atmosferic este simulat tot prin dispositive passive și uneori prin dispositive active.

3.2.1.3 Tunelul aerodinamic cu circuit închis și venă semighidata

Acest tunel aerodinamic este un tunel cu circuit închis de retur și cu o venă experimentală parțial limitată de pereți rigizi. Tunelul este alcătuit din următoarele părți principale: zona experimentală , difuzorul, coturile,motoventilatorul, camera de liniștire și confuzorul profilat.

Venă experimentală este semighidata prin existent unui planșeu la partea să inferioară și a unui plafon la partea superioară a zonei de lucru. Secțiunea transversal a zonei experimentle este de formă dreptunghiulară cu dimensiunile 1350×1800 mm, iar lungimea zonei experimentale este de 2630 mm. La nivelul planșeului se află o placă turnată cu un diamentru de 1870 mm, care permite orintarea modelului în raport cu direcția curentului de aer din zona experimentală a tunelului aerodinamic , la incidența dorită.

Confuzorul este carcterizat printr-un raport de contracție egal cu 12, iar difuzorul de după venă experimentală are un unghi de deschidere de 7° , ceea ce asigura o bună calitate a curgerii în venă experimentală.

Curgerea în venă experimentală este caracterizată printr-o intensitate adimensională a turbulentei determinată în centrul acesteia I=0,003 la viteză 40 m/s și printr-un strat limita dezvoltat în mod artificial pe planșeul zonei experimentale cu grosimea de 580 mm. Stratul limita dezvoltat obținut cu un ansamblu de planșe amplasate în secțiunea amonte a zonei experimentale.

La acest tunel aerodinamic , se pot efectua și măsurători în current aproximativ omogen uniform, pentru acesta fiind necesară eliminarea planșelor și scoatarea modelelor din stratul limita propriu al planșeului, lucru ce se realizează prin prevederea unui platou circular situate la 60 mm deasupra planșeului și pe care se montează modelele de studiat.

Acest tunel aerodinamic este utilizat pentru determinarea forțelor și momentelor aerodinamice care rezultă din acțiunea unui current de aer, ce simulează curgerea din stratul limita atmosferic , asupra modelelor pe construcții, pe baza măsurătorilor de presiuni locale de pe suprafață acestora. Pe baza acestor măsurători se calculează coeficienți locali de presiune, precum și coeficientiii aerodinamici de forță și moment rezultați din acțiunea curentului de aer din stratul limita dezvoltat în venă experimentală a tunelului aerodinamic.

3.2.2 Tunele aerodinamice cu venă lungă , cu strat limita dinamic și termic , de tip meteorologic

Tunelele aerodinamice de tip meteorologic sunt de tip special, ele avnd psobilitatea simulării simultane atât în stratul limita atmosferic dinamic , carcterizat prin profilul de viteză medie temporală și structura turbulentă , cât și a stratului limita atmosferic termic, carcterizat prin distribuția vertical de temperature și deci prin stratificarea termică existența în stratul limita. Din acest motiv, aceste tunele se mai numesc și tunele aerodinamice meteorologice.

La aceste tunele aerodinamice , stratul limita dinamic se dezvoltă în mod natural, la fel că la tunelele aerodinamice cu venă lungă și strat limita dinamic , adică prin prevederea , pe suprafață pradoselii zonei experimentale, a unor rugozități care să permită realizarea unor profile de viteză medie de tip legea logaritmică sau legea puterii.

Structura turbulentă se poate aranja prin utilizarea unor dispositive auxiliare passive (plase de scădere a nivelului de turbulentă și generatoare de turbulentă pentru creșterea nivelului turbulentei din zona experimentală).

Stratificarea termică este realizată , în principiu, prin încălzirea sau răcirea diferențială a aerului vehiculat prin venă experimentală în raport cu suprafață pardoselii experimentale.

Tunelele aerodinamice care fac parte din această categorie sunt utilizate la modelarea diferitelor fenomene de ingineria vântului , la modelarea fenomenelor de dispersie a poluanților gazosi.

:

3.2.3 Tipuri de tunele aerodinamice cu strat limita dinamic și termic:

3.2.3.1 Tunel aerodinamic pentru studii de turbulentă în stratul atmosferic de suprafață

Acest tunel este alcătuit din următoarele componente : zona de intrare a aerului, zona plaselor de scădere a nivelului turbulentei, confuzorul profilat , zona experimentală prevăzută cu tavanul reglabil,tronsonul motoventilatorului și zona de evacuare a aerului .

Tunelul face parte din categoria instalațiilor cu circuit deschis și are posibilitatea dezvoltării atât a stratului limita dinamic caracterizat prin profilul de viteză medie și prin structura turbulentă ,cât și a stratului limita specific curgerilor neuter sau stratificate, care să simuleze proprietățile aerodinamice și termice ale curentului de aer din zona stratului limita atmosferic.

Caracteristicile aerodinamice ale acestui tunel meteorologic sunt următoarele:

-intensitatea adimensională a turbulentei poate fi reglată la 0,0001…0,0005

-domeniul de viteză medie a curentului principal este de 0,3…30m/s

-diferența de viteză locală în zona curentului principal pentru o anumită secțiune transversal din venă experimentală situate imediat după confuzor este de 1 %

-grosimea tratului limita dezvoltat este de 600 mm la viteză medie pe secțiune de 2 m/s.

-gradientul longitudinal de presiune poate fi ajustat până la valoarea zero

Cu ajutorul acestui tunel aerodinamic se pot studia fenomene de dispersie a poluanților în atmosfera pentru anumite profile verticale de viteză și anumiți gradient verticali de temperatura.

3.2.3.2 Tunelul aerodinamic cu strat limita dinamic și termic pentru simularea fenomenelor de poluare atmosferică

Tunelul aerodinamic cu strat limita dinamic și termic a fost conceput astfel încât să permită realizarea următoarelor cerințe impuse de simularea fenomenelor de poluare atmosferică:

-modelarea curgerilor medii la scară mică pentru strat limita atmosferic carcterizat prin stratificare termică neutral, instabilă și stabilă;

-asigurarea structurii turbulențe specific , cu posibilitatea simulării caracteristicilor atât pentru turbulentă la scară mică, cât și pentru turbulentă la scară mare;

-modelarea difuziei turbulențe pentru mișcări atmosferice cu vârtejuri la scară medie, locală și mică , cu accent pe ultimul tip de mișcare;

Aceste cerințe conduc la necesitatea sigurarii unor caracteristici ale mișcării din venă experimentală, constând în principal din:

-realizarea de numere Richarson relative mari, comparabile cu cele corecpunzatoare stratului limita atmosferic ;

-realizare unor viteze medii cuprinse între 0,1 m/s și 50 m/s, cu posibilitatea reglării și menținerii vitezei la valoarea dorită.

-dezvoltarea unui strat limita dinamic de grosime mare (0,5 m…1,0 m), lucru ce poate fi realizat prin prevederea unei zone experimentale de lungime mare.

-asigurarea unui nivel de turbulentă corespunzător necesităților de modelare, cu posibilitatea coborârii până la valori de circa 0,001;

-stabilirea unui gradient orizontal de presiune egal cu zero, lucru realizabil prin echiparea zonei experimentale cu un tavan cu unghi variabil.

Ținând cont de cerințele impuse de modelarea complexă și de caracteristicile de venă corespunzătoare, a fost conceput un tunel aerodinamic cu strat limita dinamic și termic de tipul în circuit închis și venă ghidată. Originalitatea acestui tunel constă în aceea că îmbină caracteristicile tunelelor cu strat limita dinamic clasice, cu caracteristicile specific tunelelor micrometeorologice.

3.2.4 Suflerii de viteze mici subsonice

Sufleriile aerodinamice în general sunt instalații care permit să se obțină într-unul din elementele lor, și anume în zona experimentală în care se așează modelul , un curent de aer uniform și stabilizat de viteză determinată.

Sufleriile de viteze mici subsonice ,cu funcționare de regulă continuă, sunt instalații în care aerul, antrenat de unul sau mai multe ventilatoare,realizată în zona experimentală a lor viteze până la 180 m/s. Ele se prezintă că niște tuburi de secțiune variabilă sau cu circuit închis.

Aerul antrenat de ventilator prin depresiunea pe care acesta o creează în capătul difuzorului pratrunde prin filtrul de regularizare în collector,mărindu-și viteză , care ajunge maximă la ieșirea din el. Mai departe aerul trece sub formă unei vene cu pereți fluizi prin zona experimentală , încadrată de o camera etanșă, în care stau experimentatorii și aparatură, și apoi prin difuzor este expulzat în afar la extremitatea acestuia.

Pentru că modelul care eventual ar scapă din zona experimentală antrenat de aer să nu lovească ventilatorul sau motorul acestuia , în față ventilatorului se montează o plasa de protecție.

Sufleriile subsonice de tip Eifel de dimensiuni mici sunt instalate de obicei în interiorul unui hol, astfel încât aerul care străbate sufleria recirculeaza în interiorul acesteia. La sufleriile de acest gen de dimensiuni mai mari, unde construirea unui hol de acoperire ar fi dificilă, aerul este absorbit din atmosfera și evacuat de asemenea în atmosfera.În acest caz se înțelege că precipitațiile atmosferice pot produce neajunsuri în experimentare.

3.2.5 Suflerii de viteze mari subsonice

Suflerii de viteze mari subsonice sunt asemănătoare celor de viteze mici subsonice, cu unele excepții .

Din cauza vitezei mari cu care circulă aerul acesta se încălzește în limite care pot dauna instalației,personalului și aparaturii. De aceea un element în plus pe care-l au sufleriile de viteze mari subsonice este instalația de răcire. Această poate fi de tipul cu radiator, însă, costul ei fiind prea ridicat, mai ales când dimensiunile sufleriei sunt mari , s-a recurs la instalații care schimbă aerul. Prin admisia de aer rece și avacuarea celui cald se poate menține o temperature acceptabilă în orice punct al circuitului sufleriei. Aerul rece este introdus la capătul primului difuzor printr-o deschidere inelară și prin palele vertical cu fante așezate după al doilea cot, iar aerul cald este evacuate printr-o deschidere inelară la intrarea în collector.

La alte suflerii, aerul rece se introduce tot prin paletele cu fante și se evacuează la ieșirea din primul difuzor.

De asemenea camera de liniștire și colectorul se fac în acest caz mai lungi, colectorul fiind foarte alungit la intrarea în zona experimentală , care în mod obligatoriu trebuie să fie închisă pentru a reduce pierderile de presiune.

3.2.6 Suflerii tronsonice

Sufleriile tronsonice pot fi de tipul cu circuit închis și cu funcționarea continuă sau de tipul de circuit deschis și cu funcționare intermitentă, asemănător sufleriilor supersonice ,care vor fi descrise în paragraful următor. Cu excepția zonei experimentale, o suflerie transonica cu funcționare continuă ,iar o suflerie transonica cu intermitentă nu diferă essential, la rândul sau , de o suflerie supersonică.

La aceste suflerii, numerele Reynolds considerând că lungime caracteristică anvergură aripii ,care trebuie să fie de 6-10×10⁶ pentru grade de tubulenta de 0,1 % pentru a se obține rezultate apropiate de cele din zborul liber

3.3 Prezentarea elementelor componente a unui tunel de vant

3.3.1 Camera de testare

Camera de experiențe (testare): este zona unde se plasează modelul de studiat și în care se reproduc condițiile atmosferice în care acesta evoluează în mod obișnuit. În secțiunea transversală camera de testare poate avea diferite forme, cele mai utilizate fiind (în funcție de destinația tunelului) cele dreptunghiulare, circulare, mai rar octogonale sau eliptice etc. Lungimea recomandată pentru camera de experiențe este LCE = 1.5 x DH CE ( DH CE este diametrul hidraulic al secțiunii camerei de testare). În cazul unor lungimi mai mari, grosimea stratului limita poate influența negativ precizia măsurătorilor. În figură 3 sunt prezentate principalele caracteristici geometrice ale unei camere de experiențe de secțiune rectangulară.

Figura – Principalele caracteristici geometrice ale unei camere de experiente rectangulare

ACE = aCE x bCE aria sectiunii camerei de testare;

lCE lungimea camerei de testare;

vCE viteza curentului de aer în camera de experiente (viteza de

referinta, luata în calculele referitoare la experiment).

Dimensiunile camerei de testare trebuie să fie definite în conformitate cu specificațiile pricipale ale tunelului aerodinamic.

Forma secțiunii transversale depinde de scopul pentru care este utilizat tunelul . De exemplu pentru a studia construcțiile industriale se recomandă o secțiune transversal pătrată .

Din punct de vedere al pierderilor de presiune camera de testare va fi considerate o conductă de secțiune constantă .

Dimensiunile camerei de testare , viteza debitului de aer și mărimea maximă a modelelor determina obținerea numărului Reynolds.

O forță dreptunghiulară este recomandată pentru studiile aeronautice .

Luând în considerare că uneori este necesar să plasăm în interiorul camerei de testare echipamente suplimentare (echipamente de măsură), este foarte important să se mențină presiunea de funcționare. Pentru a îndeplini această condiție este recomandată o mică deschidere de aproximativ 1% din lungimea camerei de testare.

3.3.2 Confuzor

Confuzorul: este plasat înaintea camerei de experiențe și are rolul de a mări viteza curentului de aer la valoarea vCE și de a micșora turbulenta în camera de experiențe.

Valorile recomandate ale gradului de convergență sunt n0 C = (5 – 20 ) – raportul dintre aria secțiunii de intrare în confuzor și aria secțiunii de ieșire din confuzor (respectiv de intrare în camera de experiențe). Există mai multe tipuri constructive de confuzoare, în figură 5 fiind prezentate principalele caracteristici geometrice ale unui confuzor cu variație a secțiunii într-un singur plan și curbura dublă, cu generatoare curbilinii. Principalele caracteristici geometrice ale unui astfel de confuzor sunt următoarele:

Figura -Principalele caracteristici geometrice ale unui confuzor cu variație de secțiune într-un singur plan și curbura dublă cu generatoare curbilinii

Figura – confuzor

Confuzorul este partea cea mai importantă în proiectarea unui tunel aerodinamic , deoarece are cel mai mare impact asupra calității aerului care va intra în camera de testare.

Scopul său este de a acelera debitul de aer către camera de testare și de a reduce turbulentele și neuniformitățile. Accelerarea debitului de aer și reducerea neuniformitățile depinde de raportul de contracție între zona secțiunii de intrare și zona secțiunii de ieșire. Se va urmări îmbunătățirea raportului de contracție , acest parametru influențând dimensiunile tunelului de vânt.

În cazul tunelurilor de vânt pentru aplicații industriale sau civile raportul contracțiilor între 4 și 6 pot fi suficiente. Cu un design bun turbulentele și neuniformitățile pot fi reduse la 2 % care este acceptabil pentru mai multe aplicații. Cu toate acestea cu un ecran plasat în tunelul de vânt aceste niveluri pot fi reduse până la 0,5% care este o valoare rezonabilă pentru studiile aeronautice.

Pentru mai multe aplicații aeronautice, atunci când se urmărește scăderea acestor niveluri la 0,1 % și scăderea nivelului de contracție între 8 și 9 , se vor monta 2 sau 3 ecrane pentru a asigura o bună calitate a debitului de aer fără pierderi de presiune prințe ele.

3.3.3 Difuzor

Difuzorul este plasat după cameră de experiențe și trebuie astfel realizat încât să nu se producă desprinderi ale curentului de aer de pe pereții acestuia. Pentru secțiuni circulare valoarea maximă recomandată a unghiul de evazare al pereților este de aproximativ α D =6 °. Această valoare poate ajunge la α D = 12° în cazul secțiunilor dreptunghiulare, unde creșterea secțiunii se realizează, frecvent, prin evazare într-un singur plan, ca în cazul prezentat în figură 4. Caracteristicile geometrice ale unui astfel de difuzor sunt următoarele:

Figura 7-Principalele caracteristici geometrice ale difuzorului

A0D = a0D x b0 D aria sectiunii de intrare în difuzor a curentului de aer cu viteza v0 D ;

A1D =a1D x b1D

Figura – difuzor

Funcția principal a difuzorului este aceea de a recupera presiunea statică , de a crește eficiența în tunelul de vânt și desigur de a închide circuitul.

Difuzorul are un rol important în calitatea debitului de aer din camera de testare.

În plus difuzorul acționează ca un tampon în urma perturbațiilor de presiune provocate de coturile tunelului de vânt.

3.3.4 Rețeaua de rectificare

Este utilizată pentru micșorarea turbulentei curentului de aer și conducerea favorabilă a acestuia spre alte componente de interes ale tunelului, precum confuzorul. Cele mai simple din punct de vedere constructiv sunt realizate din plase.

Cele mai eficiente sunt cele din rigle de grosime constantă gO RR , ale căror ochiuri pot avea diferite forme, mai des întâlnite fiind cele dreptunghiulare.

Figura 9 – retea de rectificare

A1r=arr x brr aria sectiunii de intrare în retea a curentului de aer cu viteza v1 rr

A0 rr =Zrr x (I0 rr x h0 rr) aria sectiunii de intrare în retea a curentului de aer cu viteza V0 rr

a0 rr = I0 rr x h0 rr aria unui orificiu

zrr = n1 rr x n numarul de ochiuri al retelei

3.3.5 Elemente de legătură

Sunt necesare în general tunelelor în circuit închis și fac legătura între principalele elemente componente ale acestora. Sunt reprezentate cel mai adesea de coturi și corpuri de trecere de la un tip de secțiune la altul, ca de exemplu de la secțiunea circulară a ventilatorului la o secțiune de curgere dreptunghiulară.

Figura 10– corp de trecere

3.3.6 Coturile din tunelul de vant

În cazul coturilor, pentru reducerea rezistenței hidraulice, se recomandă echiparea acestora cu pale directoare. La coturile ai căror pereți nu sunt concentrici, acestea pot fi profilate aerodinamic ,cilindrice de grosime constantă , sau concentrice subțiri pentru cele cu pereți concentrici.

Figura 11 -pale directoare în coturi ai căror pereți nu sunt concentrici

Figura 12 – Principalele caracteristici geometrice ale unui cot de întoarcere cu pereti concentrici si pale directoare

A0 CI = a0 CI x b0 CI aria sectiunii de intrare în cot, curentul de aer având viteza v0 CI