Come funziona la galleria del vento | Aerodinamica spiegata

Galleria del vento a circuito chiuso: camera di decantazione, convergente ed elica

Galleria del vento a circuito chiuso

Galleria del vento a circuito chiuso della Ferrari

Questa è la seconda lezione sulla progettazione e il dimensionamento della galleria del vento. Se vi siete persi la prima parte, potete recuperarla -qui-.

Progettazione della galleria del vento a circuito chiuso: la camera di decantazione.

In questa sezione l'aria viene manipolata perché devo abbattere la turbolenza, raddrizzare il flusso (allineandolo con l'asse del tunnel) in modo da presentare un flusso omogeneo e uniforme alla camera di prova.

Nido d'ape in galleria del vento

Esempio di nido d'ape nei test in galleria del vento.

L' camera di decantazione (in inglese settling chamber) è composta da un nido d'ape (di sezione circolare o esagonale) che consentono di raddrizzare la corrente sia sul piano orizzontale che su quello verticale.

Un altro effetto del nido d'ape è quello di rompere parzialmente la turbolenza del flusso in base all'ordine di grandezza del diametro delle sezioni.

Perché le strutture a honeycomb sono importanti nella galleria del vento?

Il raddrizzatore di flusso del tipo a nido d'ape è composto da una serie di tubi di piccolo diametro (generalmente tra 5 e 7 mm) e lunghi una quindicina di centimetri. Questi tubi sono disposti coassialmente al condotto in cui si trovano (generalmente nella zona del tunnel in cui le velocità sono le più basse possibili per ridurre al minimo le perdite di carico) e sono incollati l'uno all'altro per formare strutture, generalmente esagonali (simili a favi di miele, da cui il nome), che coprono l'intera area della sezione in cui sono collocati.

Progettiamo un nido d'ape per i test nella galleria del vento.

A titolo di esempio, si ricorda che, in una galleria avente una sezione in cui di 3,6 x 0,9 m il nido d'ape (honeycomb) comprende qualcosa come 78.000 tubi di 7 mm di diametro . Il compito del nido d'ape è quello di eliminare le componenti di velocità del flusso normali alle pareti e di dirigere il flusso solo e il più possibile nella direzione dell'asse del condotto. Generalmente, i nidi d'ape o gli honeycomb sono posizionati poco prima dell'inizio del condotto convergente e quindi poco prima della camera di prova.

\(\begin{align} \frac{u_{ex}’}{u_{en}’}=\frac{1}{1+k}^{\frac{n}{2}} \´fine{align}})

Poiché le dimensioni dei vortici rimangono ancora considerevoli, devo abbatterli definitivamente con l'uso di una o più reti in cui il flusso subisce una drastico schiacciamento e la scala di turbolenza diminuisce evidentemente.

Considerando la relazione di Dryden e Schubauer:

Dove:

\( u_{ex}' \): fluttuazioni all'uscita dalla rete

\( u_{en}' \): griglia fluttuazioni in ingresso

\( k \): griglia prestazioni definite dal produttorer

\( n \): numero di griglie

Progettazione della sezione di prova nella galleria del vento
Nidi d'ape in galleria del vento: raddrizzatore di flusso.

Le reti hanno il compito di rottura di strutture vorticose su larga scala e li trasforma in strutture vorticose più piccole e più uniformi, rendendo così la profilo di velocità più uniforme. Le reti, però, hanno, come già detto, il difetto di deviare la direzione principale del flusso, è quindi necessario posizionarle intorno ad elementi (il nido d'ape) in grado di "raddrizzare" il flusso. Sono componenti che tendono a sporcarsi e quindi, come il nido d'ape, necessitano di una manutenzione frequente. Ulteriori informazioni sul nido d'ape della galleria del vento sono disponibili in Wiki.

Il flusso deve accelerare: la sezione convergente nei test in galleria del vento.

L'ultimo tratto prima della camera di prova è il convergente che ha il compito principale di accelerare la corrente.

Il convergente viene utilizzato per ridurre la sezione e quindi aumentare la velocità del fluido mentre riducendo contemporaneamente il livello di turbolenza e lo spessore degli strati limite sulle pareti. È influenzato da un gradiente di pressione negativo, e quindi favorevole, (poiché c'è più pressione all'inizio della convergenza e meno alla fine). Non c'è dunque nessun problema di separazione dello strato limite, questo permette una contrazione della sezione abbastanza rapida. Il rapporto di contrazione è generalmente dell'ordine di 6, molto raramente è maggiore.

Ci troviamo di fronte a un accelerazione convettiva che non varia nel tempo ma che dipende esclusivamente dalla geometria della sezione.

Un altro effetto della convergenza è quello di produrre una riduzione delle fluttuazioni longitudinali poiché l'accelerazione è come se allungasse il flusso.

Lungo il tunnel, si considerano spesso piccoli sfiati per adattare la pressione del flusso.

Bilancio energetico di un laboratorio in galleria del vento.

Una volta calcolate tutte le perdite nella galleria, l' 'ultimo passo consiste nel determinare le dimensioni e la potenza dell'elica che consente di recuperare le perdite e di accelerare il flusso per l'analisi nella sezione di prova.

Per compensare la pressione o perdite di pressione (in parole povere) che il fluido subisce in tutta la galleria del vento, è necessario introdurre una certa quantità di energia nel fluido ogni secondo. È quindi necessario dotare la galleria del vento di un ventilatore controllato da un motore. Il motore (tipicamente un motore elettrico che ha il vantaggio di fornire una spinta quasi costante senza le vibrazioni di un motore alternativo) può essere coassiale al ventilatore o esterno.

elica per galleria del vento

L'elica della galleria del vento.

Il caso di motore esterno è il migliore perché è più schermato e quindi produce meno disturbi al fluido (in termini acustici) riscaldandolo ancora meno. Il ventilatore o i ventilatori sono costituiti da una o una serie di eliche coassiali o affiancate; nei tunnel supersonici le eliche sono veri e propri compressori assiali o centrifughi; hanno il compito principale di trasferire l'energia cinetica fornita dal motore al fluido sotto forma di energia di pressione. Va notato che, contrariamente a quanto si crede, il ventilatore o il compressore forniscono un salto di pressione e non di velocità. Il trasferimento non è ovviamente né adiabatico né isentropico e ciò significa che una parte dell'energia cinetica viene persa in calore.

Elica e ventole per il progetto della galleria del vento.

Il ventilatore è posizionato a valle della camera di prova in un'area con una sezione elevata per ridurre la potenza da fornire. Deve anche essere posizionato il più lontano possibile dall'ingresso della camera di prova in base al percorso che il fluido deve compiere, quindi l'ideale sarebbe posizionarlo proprio dietro il modello. Tuttavia, questa soluzione è sfavorevole perché alla fine della camera di prova la velocità è massima per due motivi principali: 1) nella camera di prova l'obiettivo è sempre quello di avere la velocità massima; 2) all'estremità della camera di prova lo strato limite è più spesso rispetto all'area centrale della camera di prova e ciò provoca una diminuzione della sezione effettiva vista dal fluido. Ciò significa che la velocità è ancora più elevata rispetto all'inizio della camera di prova.Il ventilatore viene quindi posizionato all'estremità del divergente, dove la velocità locale è più bassa.

Per evitare che il flusso dopo l'elica ruoti, è possibile anche inserire le pale dello statore per raddrizzare la corrente.

La posizione dell'elica è dettata dalle prestazioni e dal costo.

Il miglior compromesso tra velocità del flusso in ingresso e turbolenza del flusso consiste nel posizionare l'elica dopo la seconda curva.

Trattamento dello strato limite per i test nella galleria del vento automobilistica.

Per le gallerie del vento automobilistiche:

Dal condotto convergente, una volta che il flusso si raddrizza e la turbolenza si riduce, lo strato limite nella parete inferiore rinasce prima di entrare nella sezione di prova.

Per evitare questo fenomeno, si utilizzano due stratagemmi:

Aspirazione dello strato limite a monte del modello attraverso una serie di piccoli fori.

Cinghia mobile: che consente di modificare la condizione limite di velocità zero sulla parete, che ha l'effetto di non formare uno strato limite.

Dove volete condividere questo post?