تونل‌های باد: انواع و کاربردها (+سفارش طراحی و ساخت)

از آنجایی که آیرودینامیک علمی است که پدیده‌ی عبور جریان یک سیال را در اطراف اجسام مختلف بررسی می کند ، تونل باد به عنوان مهمترین ابزار تحقیقاتی در مسایل مختلف آن از دید تجربی و عملی شناخته می شود.

تاریخ ویرایش: 6 مرداد ماه 1402

کاربرد تونل باد

علم ایرودینامیک در ابتدا یک علم آزمایشگاهی و تجربی بوده و در حال حاضر در بعضی جهات به همین صورت باقی مانده است و روش های گوناگون طراحی اجسام پرنده، در بیشتر موارد، تنها پس از انجام آزمایشات مختلف تجربی و عملی، به جواب مطلوب می رسند. در ایرودینامیک تجربی یکی از وسایلی که کارایی خود را به صورت کامل به نمایش گذاشته تونل باد است. این وسیله از آن جهت مورد استفاده قرار می گیرد، که می توان توسط آن مدلی از اجسام را با شرایط دلخواه آزمایشگاهی مورد تحلیل و بررسی قرار داد و نتایج بدست آمده را برای نمونه‌ی اصلی وسیله ی مورد استفاده برای طراحی قرار داد. از آنجایی که آیرودینامیک علمی است که پدیده‌ی عبور جریان یک سیال را در اطراف اجسام مختلف بررسی می کند، تونل باد به عنوان مهمترین ابزار تحقیقاتی در مسایل مختلف آن از دید تجربی و عملی شناخته می شود.

اهمیت تونل باد در تحقیقات و ساخت قطعات ایرودینامیکی به حدی است که بدون وجود آن ، امکان به ثمر رسیدن اغلب طرح های صنایع وعلوم هوافضایی وجود ندارد و حتی می توان ادعا نمود که تا کنون هیچ طرح عمده ای در صنایعی که در ارتباط با جریان سیالات گازی است ، بدون استفاده از این وسیله به نتیجه نرسیده است.

انواع تونل باد

تقسیم بندی کلی تونل باد

تونل های باد به منظور ایجاد نتایج لازم و مورد نظر ، به اشکال و گونه های متفاوتی طراحی و ساخته می شوند. در بررسی کلی بر روی طبقه بندی های مختلف به پنج روش کلی و اساسی می رسیم که هر یک از آن ها در درون خود شاخه های فراوانی را شامل می شوند. این پنج نوع تقسیم بندی عبارتند از :

از نظر ابعاد و شکل هندسی مقطع آزمون (Size & Geometry Shape)
از نظر مسیر جریان هوا (Air StreamLine)
از نظر سرعت جریان هوا و عدد رینولدز در مقطع آزمون (Reynolds Number)
از نظر شکل قرار گرفتن و نصب بدنه (Installation)
از نظر موارد استفاده و کار برد تونل (Using & Performance)

لازم به ذکر است که یک تونل باد مشخص ، می تواند در دو یا چند قسم از این دسته بندی ها به صورت همزمان قرار بگیرد. برای روشن شدن موضوع به شرح هر یک از این دسته بندی ها می پردازیم:

از نظر ابعاد و شکل هندسی مقطع آزمون (Size & Geometry Shape)

با در نظر گرفتن ابعاد مختلف (طول ، عرض و ارتفاع) مقطع آزمون ، می توان تونل باد را به سه نوع کوچک، متوسط و بزرگ دسته بندی نمود. مشخصه ای به نام قطر موثر هیدرولیکی (Hydrolic Effective Diameter) در مقطع آزمون تعریف می شود که نسبت سطح مقطع آزمون (S) به محیط تر شده ی آن(P/4) است و با De یا Dh نشان داده می شود:

Dh=De=4S/P

برای تقسیم بندی تونل به سه نوع کوچک ،متوسط و یا بزرگ ، یک قاعده و استاندارد مشخص نداریم و معمولا استاندارد های ملی یا منطقه ای مشخص کننده ی آن هستند. برای مثال از نظر سطح مقطع در آمریکا دسته بندی های زیر را داریم:

تونل های با مقطع بزرگ (The Big Testsection): مقطع آزمون به حدی است که یک هواپیمای کوچک یا وسایل نقلیه ای چون اتومبیل یا قایق در ابعاد اصلی خود در آن جا می گیرند.
تونل های با مقطع متوسط (The Medium Testsection): سطح مقطع آزمون آن با حدود تقریبی ، 100 فوت مربع (9.3 متر مربع) است.
تونل های با مقطع کوچک (The Small Testsection): سطح مقطع بستگی به نوع آزمایش و شکل مدل داشته و در زمینه ی حدود و ابعاد آن اختلاف نظر زیادی وجود د دارد.

روش دیگر برای تقسیم بندی تونل ها ، بر اساس شکل هندسی مقطع آزمون وجود دارد. در این حالت تونل ها را می توان به انواع مختلفی چون با مقطع آزمون دایروی ، مستطیلی ، مربعی ، شش ضلعی و هشت وجهی منتظم و نامنتظم تقسیم نمود. به علاوه تونل هایی با کار بری خاص ، با مقطع ذوزنقه ای و مثلثی طراحی و ساخته شده است.

از نظر مسیر جریان هوا (Air Strim Line)

تونل های باد از این نظر به دو دسته ی کلی و اساسی به نام مدار باز و بسته (Open & Close Circuit Wind Tunnel) تقسیم بندی می شوند ، که از مهمترین و اصولی ترین دسته بندی ها به حساب می آیند. در تونل باد مدار باز ، هوا از اتمسفر آزاد کشیده شده و پس از عبور از قسمت های مختلف کانال تونل و مقطع آزمون ، دوباره به محیط آزاد تخلیه می شود. در این حالت جریان ورودی و خروجی با هم ارتباطی نداشته و بر روی هم تاثیر نمی گذارند. در تونل های مدار بسته ، هوا از مسیری که در ابتدا و انتهای کانال به هم مربوط شده، عبور می کند. گاهی این مدار های بسته را سیکل بسته هم می خوانند و نیز تونل های مدار بسته ی بازگشتی را از نوع پرانتل یا گرتسینگن می نامند. به طور کلی تونل مدار بسته ، خود به سه دسته ی گوناگون به نام های تونل با بازگشت منفرد (Single Return) ، تونل با بازگشت دوگانه (Double Return) و تونل با بازگشت حلقوی (Annular Return) تقسیم می شوند.

اغلب تونل های مدار بسته از نوع بازگشت منفرد می باشند. تنها یک مسیر برای بازگشت جریان هوا در نظر گرفته شده و سیکل کانال تونل به طور ساده می باشد. در تونل با بازگشت دوگانه ، برای برگشت جریان هوا دو مسیر جداگانه به موازات هم در قرار گرفته است و مسیر رفت که شامل مقطع آزمون است ، به موازات این دو و در وسط آن ها قرار گرفته است. در هر دو نوع تونل با بازگشت منفرد و دوگانه ، از گوشه های ق (Vertical Corners) استفاده شده که دارای پره های گوشه (Corner Vanes) هستند. در تونل با بازگشت حلقوی ، بر خلاف دو نوع دیگر ، در گوشه ها پره ای به کار برده نشده است و به جای گوشه های قاﺌم ، از یک مسیر حلقوی با متغییر زاویه ای به اندازه ی ˚180 استفاده می شود.در این نوع تونل هم می توان از دو مسیر برگشت استفاده کرد.

از نظر سرعت جریان هوا و عدد رینولدز در مقطع آزمون (Reynolds Number)

قبل از بررسی محدوده های سرعت هوا در مقطع آزمون ، لازم است که ابتدا عددی بدون بعد به نام عدد ماخ (Mach Number) را تعریف کنیم. عدد ماخ نسبت سرعت وسیله ی پرنده ی متحرک یا جریان هوا به سرعت صوت در آن با همان شرایط محیطی از قبیل درجه حرارت ، فشار ، رطوبت محیط و چگالی هوا می باشد. این عدد را با M نشان داده و بیشتر برای سرعت های بالا و نزدیک سرعت صوت به کار می رود و سرعت های بیشتر از صوت را نیز معمولا با این عدد نمایش می دهند. تونل باد از نظر سرعت جریان هوا در مقطع آزمون به روش های مختلفی دسته بندی می شود. در یک نوع از این دسته بندی ها با سرعت کمتر از 300 مایل بر ساعت (یا 137 متر بر ثانیه) را تونل باد کم سرعت (Low Speed) و برای سرعت های بیش از این حد ، تونل باد با سرعت بالا (High Speed) می نامند. روش دیگر طبقه بندی تونل ها ، استفاده از محدوده های عدد ماخ است. در این زمینه چندین روش وجود دارد که معمول ترین آن در زیر ارائه شده است:

محدوده عدد ماخ (3/0-0): تونل باد زیر صوت با جریان تراکم ناپذیر (Incompressible)
محدوده عدد ماخ (7/0-3/0): تونل باد زیر صوت با جریان تراکم پذیر (Compressible)
محدوده عدد ماخ (3/1-7/0): تونل باد نزدیک صوت (Transonic)
محدوده عدد ماخ (5-3/1): تونل باد بالای صوت (Supersonic)
محدوده عدد ماخ (5< ): تونل باد ماوراء صوت (Hypersonic)

در بعضی کتاب ها و مراجع حدود دیگری را برای موارد عنوان شده در بالا آورده اند. این محدوده ها برای عدد ماخ ، به علت تقریبی بودن بیش از حد و استاندارد نشدن دقیق آن ها در حال حاضر ، نمی توان به عنوان ملاک ثابتی برای دسته بندی تونل قرار داد. روش دیگری برای دسته بندی تونل باد ، استفاده از عدد رینولدز است. تونل باد با عدد رینولدز کمتر از (6^10×2) را تونل باد کوچک و بیش از آن را می توان تونل باد بزرگ نامید. این روش تقسیم بندی بیشتر برای مشخص نمودن نوع آزمایش ها و نتایج حاصل از آنها به کار برده می شود.

از نظر شکل قرار گرفتن و نصب بدنه (Installation)

از این دیدگاه تونل باد را به دو روش کلی می توان تقسیم بندی نمود. در روش اول ، بر حسب افقی یا عمودی بودن محور اصلی تونل (Main Axis) ،که آن را می توان به دو نوع افقی و عمودی (Horizontal & Vertical Wind Tunnel) دسته بندی نمود. لازم به بیان کردن است که محور اصلی تونل ، محور تقارن تونل نیز به حساب می آید که از مرکز هندسی قسمت های مختلف تونل ، به ویژه از مقطع آزمون عبور می کند.

ملاک در افقی یا عمودی بودن تونل ، موازی یا قائم بودن محور تقارن مقطع آزمون نسبت به سطح دریا و افق می باشد. دقت شود که محور تقارن مقطع آزمون، خود قسمتی از محور اصلی می تواند باشد ، ولی بهتر است همواره این محور برای ارزیابی قائم یا افقی بودن تونل در نظر گرفته شود. در حال حاضر ، در بیشتر موارد تونل های باد از نوع افقی هستند. نوع عمودی نیز تنها در تونل های با طول نسبتا کوتاه می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

روش دوم دسته بندی تونل ها ، در نظر گرفتن وضعیت کلی محور اصلی از نظر افقی یا عمودی بودن آن ، نسبت به سطح دریا است. در صورتی که تمام قسمت های تونل به صورت افقی باشد و محور اصلی تونل در کلیه ی قسمت ها ، موازی با سطح مذکور قرار گیرد ، تونل را افقی می نامند و در حالتی که بعضی قسمت های تونل به شکل عمودی قرار گرفته و محور اصلی تونل مربوط به آن نواحی قائم به سطح دریا باشد، تونل را عمودی می گویند.

نکته ای که باید مورد توجه قرار گیرد آن است که این دو روش تقسیم بندی ، با وجود مشابهت اسمی در کلمات افقی و عمودی در آن ها ، دارای مفاهیم متفاوتی هستند. در روش دوم لازم است که محور تقارن مقطع آزمون ، کاملا به صورت افقی و اصطلاح عمودی یا افقی بودن تونل به قسمت های دیگر آن اطلاق می شود ، حال آن که در روش اول تنها محور مقطع آزمون است که ملاک نامگذاری قرار می گیرد. تفاوت عمده ی دیگر این دو روش این است که روش اول معمولا برای تونل های مدار باز استفاده می شود ، حال آن که روش دوم بیشتر برای تونل های مدار بسته به کار می رود.

از نظر موارد استفاده و کار برد تونل (Using & Performance)

اگر با توجه به کار برد تونل ها ، آن ها را دسته بندی کنیم ، می توانیم کاربرد آموزشی (Technical Application) ، کاربرد آزمایشگاهی (Laboratorial Application) ، کاربرد صنعتی (Industrial Application) و کاربرد تحقیقاتی (Research Application) را برای این دسته ها نام ببریم. در نوع آموزشی ، معمولا هدف از آن نمایش چگونگی عملکرد تونل و انجام آزمایشات محدودی در آن برای نشان دادن هر چه بهتر کاربردهای تونل و خواص ایرودینامیکی اجسام به افراد مبتدی است. این نوع تونل بیشتر در دانشگاه ها و مراکز علمی به منظور آموزش افراد و آشنا کردن آنها با این وسیله می باشد.در نوع آزمایشگاهی تونل هدف بررسی و مطالعه ی نتایج حاصل از آن در زمینه ی پدیده های مختلف ایرودینامیکی و صنعتی است. این نوع مطالعات در سطح متوسطی انجام می پذیرد و مفاهیم گوناگونی چون ایجاد لایه ی مرزی و اثرات هوا و باد بر روی جسم متحرک یا ساکن ، مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. در تونل ها با کاربرد صنعتی ، استفاده های مختلف آن در صنعت مورد توجه قرار می گیرد و از نتایج حاصل از تونل باد ، برای بهینه سازی و ایجاد طرح های مناسب صنعتی بهره برداری می شود.این تونل ها در شکل های متفاوت و تنها برای کسب نتایج ویژه ای ، طراحی و ساخته می شوند. برای مثال تونل هایی برای تعیین اثرات باد بر روی ساختمان ها و پل ها و یا بدست آوردن شکل مطلوب بدنه ی اتومبیل ها و موتور سیکلت ها ، وجود دارند که معمولا تنها دارای کاربرد های ویژه ای هستند. در نوع تحقیقاتی تونل ، این وسیله را برای طراحی و کسب نتایج مطلوب بر روی یک جسم متحرک و یا ساکن مورد استفاده قرار می دهند. برای انجام یک پروژه و ساخت در صنعت هوافضایی در گستره ی وسیعی از این دسته از تونل ها استفاده می شود. این تونل ها دارای وسایل اندازه گیری دقیق و گرانقیمتی بوده و ثبت و استفاده از نتایج حاصل از آن ها اهمیت ویژه ای دارد. برای طراحی و ساخت این نوع تونل ها دقت و توانایی بالایی لازم است.

انواع تونل باد با کاربرد های ویژه

در کاربرد های صنعتی و هوافضایی تونل باد، برای رفع نیاز های ویژه و احتیاجات معینی ، تونل هایی با کاربرد ویژه ، طراحی و ساخته می شوند که معمولا دارای عملکرد محدودی هستند و تنها نتایج مشخصی را ارایه می دهند. به علت وجود مسائل مختلف در کلیه ی شاخه های صنعتی در ارتباط با تونل باد ، این تونل ها از گسترش و توسعه ی نسبتا زیادی برخوردار شده اند. در این نوشته تنها به ارائه ی مواردی که دارای عمومیت و کارایی بیشتری بوده و از تونل های با کاربرد ویژه شناخته شده ، می پردازیم.