Wien Climactic Tunnel låter ingenjörer utsätta testpersoner för extrema temperaturer. Det är en av de enda tunnlarna i världen som rymmer järnvägsvagnar i full storlek. Med tillstånd av RTA Mänskligheten har alltid avundat fåglar. Vi kan förmedla den maskätande delen, men deras behärskning av flykt hjälpte till att få våra längtan att sväva in i himlen. I varierande grad, människor har förverkligat drömmen om flyg. Men 727 -talet, missiler, rymdfärjor, ultrasnabba tävlingsbilar, motorbåtar, racercyklar och till och med typer av datorchips hade kanske aldrig förverkligats om det inte varit för en relaterad teknisk utveckling - vindtunneln.
Vindtunnlar används av ingenjörer för att testa aerodynamiken hos många föremål, från jetvingar till bilruta. Aerodynamik som en vetenskap studerar luftflödet eller gaserna runt ett föremål i rörelse. Med en bättre förståelse för hur luft rör sig runt (eller genom) föremål, tillverkare kan utforma och skapa snabbare, säkrare, mer pålitliga och effektivare produkter av alla slag.
Från gungande, instabila vindar till orkanstyrkor, Moder Jordens vind är ett notoriskt skiftande tillstånd, och sålunda, ganska värdelös för aerodynamisk testning. Vindtunnlar, å andra sidan, tillhandahålla en kontrollerad miljö för denna typ av tester.
Vindtunnlar är helt enkelt ihåliga rör; på ena sidan, de har kraftfulla fläktar som skapar ett luftflöde inuti tunneln. Vissa tunnlar är skrivbordsstora och bra för att testa endast mycket små föremål. Andra tunnlar är massiva strukturer där ingenjörer testar flygplan och bilar i full storlek. Även om testmaterialen (vanligtvis) förblir stationära, snabbt luftflöde inuti tunneln gör att det verkar som om föremål rör sig.
Vanligtvis, det finns sensorer och instrument inuti vindtunnlar som ger forskare hård data om ett objekts interaktion med vind. Och ofta, det finns fönster som låter samma forskare observera experiment visuellt. Med dessa data och observationer, ingenjörer brottas med variabler av aerodynamik som tryck, hastighet, temperatur och densitet. De mäter lyft, drag, chockvågor och andra förhållanden som påverkar plan och andra föremål som rusar genom vinden. Dessutom, dessa tunnlar kan hjälpa ingenjörer att ta reda på hur vinden interagerar med stationära föremål, såsom byggnader och broar, och hitta sätt att göra dem starkare och säkrare.
Kortfattat, många av våra moderna underverk är mer avancerade tack vare vindtunnlar. Men det var drömmen om flyg som först gav andan till dessa luftiga maskiner. Nästa, du kommer att läsa hur vindtunnlar kom till platsen och exakt hur de fungerar. Ta ett dubbelt grepp om din hatt först, fastän, för det här är ett ämne som kan blåsa bort dig.
Innehåll
De första plan- och segelflygdesignerna hade många fågelliknande egenskaper. Vindtunnlar visade att många av dessa idéer var ganska fågelhjärna. Stringer/Hulton Archive/Getty Images I hopp om att ta människor till himlen, tidiga flygingenjörer försökte följa fågelns exempel. Leonardo Da Vinci, till exempel, skisserade en så kallad "ornithopter" år 1485. Men våra bevingade vänner visade sig vara mindre hjälpsamma när det gällde att avslöja flygets hemligheter. Många uppfinnare tillverkade fågelinspirerade maskiner, bara för att se dem floppa omkring hjälplöst i smutsen.
Det blev klart att för att människor ska flyga, de behövde en bättre förståelse för samspelet mellan vingar och vindar. Så, dessa nystartade flygälskare sökte kullar, dalar och grottor med kraftfulla, lite förutsägbara vindar. Men naturliga vindar gav inte det stabila flödet som kunde ge hjälpsam designåterkoppling - konstgjorda vindar var nödvändiga.
Gå in i de virvlande armarna. År 1746, Benjamin Robins, en engelsk matematiker och vetenskapsman, fäst en horisontell arm på en vertikal stolpe, som han roterade, skicka armen snurrande i en cirkel. I slutet av armen, han anbringade en mängd olika föremål och utsatte dem för krafterna i sin hemlagade centrifug. Hans test bekräftade omedelbart att tingens form hade en enorm effekt på luftmotståndet (även känt som drag, ett element av aerodynamisk kraft).
Andra experimenter, som Sir George Cayley, snart byggde virvlande armar. Cayley, särskilt, testad flygplan former, som liknade mycket ett tvärsnitt av en flygplansvinge, att undersöka principerna för drag och hiss . Lyft är ett kraftelement som rör sig vinkelrätt mot riktningen för ett föremåls rörelse.
Den roterande armen hade en allvarlig bieffekt, dock, genom att det hackade upp luften när den snurrade, skapar i princip en helig turbulens som påverkade alla resultat och observationer kraftigt. Men armen resulterade i ett monumentalt genombrott:Ingenjörer började inse att genom att snabbt driva ett föremål genom luften, de kan utveckla lyft. Det innebar att det inte var nödvändigt att bygga flaxande vingar för att flyga. Istället, människor behövde tillräckligt med kraft och rätt sorts vingkonstruktion. Forskare behövde bättre undersökningsverktyg för att lösa dessa viktiga frågor. Vindtunnlar var svaret.
På nästa sida, du kommer att ta reda på hur snurrande armar utvecklats till vindtunnlar - och du kommer att se hur dessa tunnlar var medverkande till en av de största tekniska prestationerna i mänsklighetens historia.
Vindtunneln som Wright Brothers byggde hjälpte till att förändra den mänskliga tekniska historien. Stringer/Hulton Archive/Getty Images Eftersom virvlande armar hackade luften och skapade kölvatten som gjorde många experiment ogiltiga, forskare behövde lugnare, konstgjorda vindar. Frank H. Wenham, en engelsman aktiv i Aeronautical Society of Great Britain, övertygade organisationen att hjälpa till att finansiera byggandet av den första vindtunneln, som debuterade 1871.
Wenhams tunnel var 3,7 meter lång och 45,7 centimeter stor. Den producerade 64 kilometer i timmen (64 kilometer i timmen) vindar, tack vare en ångdriven fläkt i slutet av tunneln. I hans tunnel, Wenham testade effekterna av lyft och drag på flygplan i olika former. När han flyttade framkanten (kallad framkanten ) av flygplattan upp och ner, ändra vad som kallas Angreppsvinkel, han fann att vissa former resulterade i bättre lyft än väntat. Flyg med människa verkade plötsligt mer möjligt än någonsin tidigare.
Ändå skapade tunnels grova design vindar som var för ostadiga för konsekventa testresultat. Bättre tunnlar behövdes för systematisk testning och tillförlitliga resultat. År 1894, Engelsmannen Horatio Philips ersatte ett ånginjektionssystem för fläktar, resulterar i stabilare, mindre turbulent luftflöde.
Över Atlanten, i Ohio, bröderna Wright, Orville och Wilbur, följde utvecklingen inom aerodynamikstudier och frammanade idéer för segelflygdesigner. Men verklig testning av deras modeller visade sig vara för tidskrävande; det gav dem inte heller tillräckligt med data för att förbättra sina planer.
De visste att de behövde en vindtunnel. Så, efter lite pyssel, de konstruerade en tunnel med en 16-tums (40,6 centimeter) testsektion. De experimenterade med cirka 200 olika typer av vingformer genom att fästa flygplan till två balanser - en för drag, och en för hiss. Balanserna omvandlade flygplansprestanda till mätbar mekanisk handling som bröderna använde för att slutföra sina beräkningar.
Långsamt, de arbetade för att hitta rätt kombination av drag och lyft. De började inse att det smala, långa vingar resulterade i mycket mer lyft än kort, tjocka vingar, och 1903, deras noggranna vindtunneltest gav resultat. Bröderna Wright flög den första bemannade, drivande flygplan i Kill Devil Hills, N.C. En ny tid för teknisk innovation hade börjat, till stor del tack vare vindtunnlar.
Nästa, du kommer att se exakt hur vindtunnlar gör sin osynliga magi och hjälper till att blåsa mänskligheten in i en ny teknologisk era.
Här är ett praktiskt diagram som hjälper dig att visualisera komponenterna i en vindtunnel. Hur saker fungerar De första vindtunnlarna var bara kanaler med fläktar i ena änden. Dessa tunnlar gjorde hackiga, ojämn luft, så ingenjörer arbetade stadigt för att förbättra luftflödet genom att justera tunnellayouter. Moderna tunnlar ger mycket jämnare luftflöde tack vare en grundläggande design som innehåller fem grundläggande sektioner:sedimenteringskammaren, sammandragningskotte, testavsnitt, diffusor och drivsektion.
Luften är en virvlande, kaotisk röra när den kommer in i tunneln. De bosättningskammare gör precis vad namnet antyder:Det hjälper till att bosätta sig och räta ut luften, ofta genom användning av paneler med bikakeformade hål eller till och med en maskskärm. Luften tvingas sedan genast genom sammandragningskotte , ett trångt utrymme som kraftigt ökar luftflödeshastigheten.
Ingenjörer placerar sina skalade modeller i testavsnitt , det är där sensorer registrerar data och forskare gör visuella observationer. Luften strömmar därefter in i diffusor , som har en konisk form som vidgas, och sålunda, saktar ner luftens hastighet utan att orsaka turbulens i testsektionen.
De drivsektion rymmer den axiella fläkten som skapar höghastighetsluftflöde. Denna fläkt är alltid placerad nedströms testdelen, i slutet av tunneln, snarare än vid ingången. Denna inställning gör att fläkten kan dra luft i en mjuk ström istället för att trycka på den, vilket skulle resultera i mycket choppier luftflöde.
De flesta vindtunnlar är bara långa, raka lådor, eller öppen krets (öppna-retur) tunnlar. Dock, vissa är inbyggda stängd kretsar (eller stängd retur), som i grunden är ovaler som skickar luften runt och runt samma väg, som en tävlingsbana, med hjälp av skovlar och bikakepaneler för att exakt styra och styra flödet.
Tunnelns väggar är extremt släta eftersom eventuella brister kan fungera som hastighetsstötar och orsaka turbulens. De flesta vindtunnlar är också måttligt stora och tillräckligt små för att passa in i ett universitetsvetenskapligt laboratorium, vilket innebär att testobjekt måste skala ner för att passa in i tunneln. Dessa skalmodeller kan vara hela flygplan i miniatyr, byggd (till stora kostnader) med noggrann precision. Eller så kan de bara vara en enda del av en flygplansvinge eller annan produkt.
Ingenjörer monterar modeller i testdelen med olika metoder, men oftast, modellerna hålls stationära med hjälp av trådar eller metallstolpar, som placeras bakom modellen för att undvika störningar i luftflödet De kan fästa sensorer på modellen som registrerar vindhastighet, temperatur, lufttryck och andra variabler.
Fortsätt läsa för att lära dig mer om hur vindtunnlar hjälper forskare att sätta ihop mer komplicerade aerodynamiska pussel och hur deras resultat stimulerar tekniska framsteg.
Rök ger flödesvisualisering så att forskare kan se hur luft rör sig runt testobjektet. Bill Pugliano/News/Getty Images Lyft och drag är bara två element i aerodynamiska krafter som spelar in i en vindtunnel. I synnerhet för flygplanstestning, det finns dussintals variabler (som pitch, gira, rulle och många andra), som kan påverka resultatet av experiment.
Andra faktorer spelar också in under testet oavsett vad testpersonen kan vara. Till exempel, luftkvaliteten i tunneln är föränderlig och har en enorm betydelse för testresultaten. Förutom att noggrant mäta formen och hastigheten på objektet (eller vinden som blåser förbi objektet) måste testarna överväga viskositet (eller klibbighet) och komprimerbarhet (bounciness) av luften under deras experiment.
Du tänker normalt inte på luft som en klibbig substans, självklart, men när luft rör sig över ett föremål, dess molekyler träffar ytan och klamrar sig fast vid den, om än bara för ett ögonblick. Detta skapar en gränsskikt , ett luftlager bredvid objektet som påverkar luftflödet, precis som själva objektet gör. Höjd över havet, temperatur, och andra variabler kan påverka viskositet och komprimerbarhet, vilket i sin tur ändrar gränslageregenskaperna och dra, och aerodynamiken för testobjektet som helhet.
Att räkna ut hur alla dessa förhållanden påverkar testobjektet kräver ett system av sensorer och datorer för att logga sensordata. Pitotrör används för att mäta luftflödeshastighet, men avancerade tunnlar distribueras laseranemometrar som detekterar vindhastighet genom att "se" luftburna partiklar i luftströmmen. Trycksonder övervaka lufttrycket och vattenånga tryck sensorer spårar fukt.
Förutom sensorer, visuella observationer är också extremt användbara, men för att göra luftflödet synligt, forskare förlitar sig på olika flödesvisualisering tekniker. De kan fylla testdelen med färgad rök eller en fin vätskedimma, som vatten, för att se hur luft rör sig över modellen. De kan applicera tjock, färgade oljor till modellen för att se hur vinden driver oljan längs modellens yta.
Höghastighetsvideokameror kan spela in rök eller oljor när de rör sig för att hjälpa forskare att upptäcka ledtrådar som inte är uppenbara för det blotta ögat. I vissa fall, lasrar används för att belysa dimma eller rök och avslöja luftflödesdetaljer.
Vindtunnlar erbjuder oändliga konfigurationer för att testa gränslösa idéer och koncept. Fortsätt läsa, och du får se de fantastiskt fantasifulla tunnlar som ingenjörer bygger när de hittar pengar för att förvandla en bris av en idé till en storskalig teknisk storm.
Supersoniska och hypersoniska tunnlar använder inte fläktar. För att generera dessa häftiga lufthastigheter, forskare använder sprängningar av tryckluft som lagras i trycksatta tankar placerade uppströms testdelen, det är därför de ibland kallas blås ner tunnlar. Liknande, hypersoniska tunnlar kallas ibland chockrör, en hänvisning till de kraftfulla men mycket korta sprängningarna de producerar. Båda har enorma effektbehov, som i allmänhet gör dem bäst för korta eller intermittenta tester.
Lufttryckskapacitet skiljer också vindtunnlar. Vissa tunnlar har kontroller för att sänka eller höja lufttrycket. Till exempel, för att testa rymdfarkoster, NASA skulle kunna sätta upp en tunnel för att efterlikna lågtrycksatmosfären på Mars.
Du kan också kategorisera tunnlar efter storlek. Vissa är relativt små, och sålunda, är endast användbara för att testa nedskalade modeller eller delar av ett objekt. Andra är fullskaliga och tillräckligt stora för att testa fordon i full storlek.
Och några vindtunnlar är bara ... ja, riktigt stor.
NASA:s Ames Research Center, nära San Jose, Kalifornien är världens största vindtunnel. Det är cirka 180 fot (54,8 meter) högt, mer än 1, 400 fot (426,7 meter) lång, med ett testavsnitt som är 80 fot (24 meter) högt och 120 fot (36,5 meter) brett, tillräckligt stor för att rymma ett plan med ett 30 fot långt vingspann. Tunneln använder sex, fyra våningar höga fans, var och en drivs av sex 22, 500 hästkrafter som kan driva vindar upp till 115 km / h.
Storleken är inte den enda faktorn i extraordinära vindtunnlar. Fortsätt läsa, och du kommer att ta reda på hur moderna några av dessa tunnlar verkligen är.
DIY virvelvindarVindtunnlar är inte bara för proffs. Du kan hitta planer online för att bygga din egen vindtunnel hemma, eller till och med köpa kit med alla nödvändiga delar inkluderade. Det finns många typer av vindtunnlar för alla möjliga olika ändamål. Dessa tunnlar kategoriseras efter deras egenskaper, till exempel vindhastigheten de genererar i testsektionen.
Subsonisk vindtunnlar testar objekt med luftflöden på mindre än 250 mph (402 kph). Transonic tunnlar täcker tunnlar täcker ett vindhastighetsintervall på 250mph till 760mph (1, 223 km / h).
Överljuds tunnlar genererar vindar snabbare än ljudets hastighet (768 mph eller 1, 235,9 km / tim). Hypersonic tunnlar skapar läskigt snabba vindblåsningar på 3, 800mph till 11, 400mph (6, 115,5 km / h till 18, 346,5 km / h) - eller ännu snabbare.
Läs mer
General Motors äger världens största vindtunnel för bilprovning. Fläkten har en diameter på 13 fot. Bill Pugliano/News/Getty Images Ingenjörer behöver ofta testa flera aerodynamiska och miljövariabler samtidigt. Därför erbjuder vissa tunnlar ett brett utbud av testmöjligheter på en enda plats. Wien stora klimatiska vindtunnel, används mest för bil- och järnvägstestning, är en sådan tunnel. Testdelen är ensam 100 meter lång, genom vilken vindhastigheter på upp till 186 mph (299 kph) flyter.
Ingenjörer kan justera relativ luftfuktighet från 10 till 98 procent och driva temperaturer från så låga som -49 grader till 140 grader Fahrenheit (-45 till 60 Celsius). Sann mot sitt namn, Wiens klimattunnel kommer komplett med regn, snö och isfunktioner, förutom solsexponeringssimulatorer.
Isförmåga, särskilt, har varit en kritisk komponent i vindtunnlar i decennier, eftersom isuppbyggnad på flygplanets ytor kan vara katastrofal, orsakar att ett flygplan kraschar. Istunnel har kylsystem som kyler luften och sedan sprutar fina droppar vatten i luftflödet, producerar en glasyr på testmodellerna. Ingenjörer kan sedan pyssla med lösningar för att motverka isuppbyggnad, till exempel, genom att installera värmesystem som värmer planets ytor.
Det finns många andra tunneltyper avsedda för specifika ändamål. Vissa konstruktioner hoppar över stolpar eller trådar för att säkra modellen och använder istället kraftfulla magneter som hänger metalliska modeller i testdelen. Andra tillhandahåller fjärrkontrollstrådar som låter forskare faktiskt "flyga" ett modellplan inom testområdet.
University of Texas vid Arlingtons Aerodynamics Research Center har det som kallas en bågstråletunnel, som genererar supersoniska strömmar av mycket het gas vid temperaturer upp till 8, 540 grader Fahrenheit (4, 727 Celsius). Den här typen av temperaturer är särskilt användbara för NASA, som utsätter sin rymdfarkost för hög värme när de åter kommer in i jordens atmosfär.
Vissa tunnlar utelämnar luft helt och använder istället vatten. Vatten flyter ungefär som luft, men den har större densitet än luft och är mer synlig, för. Dessa egenskaper hjälper forskare att visualisera flödesmönster runt ubåtar och skeppsskrov, eller ännu bättre se chockvågor skapade av mycket snabba flygplan och missiler.
Så vad är poängen med att blåsa all den varma och svala luften runt omkring, i alla fall? Det är inte bara så att forskare kan få sin nörd på - på nästa sida, du kommer att se hur vindtunnlar hjälper oss att göra mycket mer än att flyga.
FritidsutkastVertikala vindtunnlar (eller VWT) visar att vindtunnlar inte bara är för arbete. VWT:er låter människor skydive inomhus (kallas även bodyflying ), ett bra sätt för nybörjare och proffs att lära sig skydda fallskärmshopp på ett säkert sätt samtidigt.
Vertikala vindtunnlar, som den här i Kina, låt fallskärmshoppare öva sina tekniker inomhus. Getty Images News/Getty Images Ingenjörer och tillverkningsspecialister använder vindtunnlar för att förbättra inte bara flygplan och rymdfarkoster, men ett helt sortiment av industri- och konsumentprodukter. Biltillverkare, särskilt, lita starkt på vindtunnlar.
General Motors Aerodynamics Laboratory har den största vindtunneln för att studera bil aerodynamik. Sedan tunneln byggdes för tre decennier sedan, företagets ingenjörer har minskat dragkoefficienten för sina fordon med cirka 25 procent. Den typen av förbättringar ökar bränsleekonomin med två till tre miles per gallon.
Tävlingsbiltillverkare använder tunnlarna för att förbättra bilens aerodynamik, särskilt hastighet och effektivitet, för att hjälpa dem att få en konkurrensfördel. AeroDyn vindtunnel, till exempel, ligger i North Carolina och specialiserar sig på att testa NASCAR-lagerbilar i full storlek och andra racerbilar och lastbilar. Ett annat företag, kallas Windshear, arbetar också i North Carolina och äger en avancerad sluten tunnel med en inbyggd rullande väg, vilket i grunden är ett enormt löpband för bilar.
Elektronikingenjörer använder små vindtunnlar för att se hur luftflödet påverkar värmeuppbyggnad i komponenter. Sedan kan de designa svalare datorchips och moderkort som håller längre. Verktygschefer använder vindtunnlar för att testa vindkraftverk som används för att generera el. Vindtunnlar hjälper till att göra turbinerna och deras blad effektivare, effektiv och hållbar, så att de tål konstant, kraftiga vindbyar. Men vindtunnlar hjälper också ingenjörer att bestämma vindkraftverkets layouter och turbinavstånd, för att maximera effektiviteten samtidigt som kraftsugande turbulens minimeras.
Vindtunnlar och testmodeller är inte billiga att bygga. Det är därför fler och fler organisationer inaktiverar sina vindtunnlar och går över till datormodellering (även kallad beräkningsvätskedynamik ), som nu ofta används istället för fysiska modeller och tunnlar. Vad mer, datorer låter ingenjörer justera oändliga variabler av modellen och testsektionen utan tidskrävande (och dyrt) manuellt arbete. Fysiska tunnlar används ibland bara för att testa resultaten av datormodellering.
Byggingenjörer använder datormodellering för vindtekniska tester för att hjälpa dem att designa och bygga skyskrapor, broar och andra strukturer. De undersöker samspelet mellan byggnadsformer och material och vind för att göra dem säkrare och starkare.
Tills vidare, fastän, vindtunnlar är fortfarande i aktiv användning över hela världen, hjälpa forskare att göra säkrare och effektivare produkter och fordon av alla slag. Och även om nyare virtuell teknik så småningom ersätter fysiska vindtunnlar, dessa ingenjörsunder kommer alltid att ha en plats i historien om mänsklighetens utveckling.
