Wind tunnels – Đường hầm gió

EnterKnow: Việc thiết kế những chiếc máy bay có thể bay nhanh, hiệu quả và kinh tế chủ yếu là làm cho không khí lưu chuyển trơn tru qua cánh và đi qua phần thân dạng ống của chúng. Đây được gọi là khoa học về khí động học. Khi máy bay đã bay lên trên không, không có cách nào dễ dàng để biết không khí di chuyển qua nó như thế nào (mặc dù một phi công thử nghiệm có kinh nghiệm sẽ biết rõ điều gì có thể gây ra sự cố). Nếu có lỗi thiết kế lớn, máy bay sẽ không thể cất cánh được. Đó là lý do tại sao mọi tàu vũ trụ và máy bay hiện đại đều được thử nghiệm trên mặt đất trước tiên trong một đường hầm gió: một tòa nhà dạng ống mà không khí thổi qua với tốc độ rất cao.

Ý tưởng cơ bản của một đường hầm gió rất đơn giản: nếu bạn không thể di chuyển máy bay trong không khí, tại sao không di chuyển không khí qua máy bay? Xét về mặt khoa học thì nó hoàn toàn giống nhau. Nếu một chiếc máy bay bị kéo (gây ra lực cản của không khí) khi nó bay trên bầu trời, thì không khí sẽ bị kéo theo cách tương tự khi bạn bắn nó qua một mô hình đứng yên của máy bay trên mặt đất.

Việc xây dựng một đường hầm gió siêu khổng lồ và thử nghiệm một mô hình máy bay có kích thước thật là không giới hạn — và thực sự, cơ quan vũ trụ Mỹ NASA có những đường hầm gió như thế này. Nhưng trong hầu hết các trường hợp, việc sử dụng một mô hình máy bay quy mô nhỏ trong một đường hầm gió nhỏ hơn nhiều sẽ rẻ hơn nhiều.

Đường hầm gió là gì?

Wind Tunnels – Đường hầm gió là cỗ máy trong đó vật thể thử nghiệm được giữ cố định bên trong một đường ống và không khí được thổi xung quanh nó để nghiên cứu sự tương tác giữa vật đó và không khí chuyển động. Chúng được sử dụng để kiểm tra tác động khí động học của máy bay, tên lửa, ô tô và các tòa nhà. Các đường hầm gió khác nhau có kích thước từ chiều ngang dưới 1 foot đến hơn 100 foot (30 m) và có thể có không khí di chuyển với tốc độ từ gió nhẹ đến vận tốc siêu âm.

Thông thường, những chiếc quạt lớn sẽ di chuyển không khí qua đường hầm gió, trong khi vật thể đang được thử nghiệm được giữ cố định. Đối tượng có thể là một đối tượng thử nghiệm khí động học như hình trụ hoặc cánh máy bay, một bộ phận riêng lẻ của máy bay, một mô hình nhỏ của phương tiện như ô tô hoặc, trong các đường hầm lớn nhất, thậm chí là một phương tiện có kích thước đầy đủ. Các phép đo khác nhau có thể được thực hiện từ các thử nghiệm này. Các lực khí động học tác dụng lên toàn bộ vật thể hoặc trên từng bộ phận riêng lẻ của vật thể đó có thể được đo. Áp suất không khí tại các điểm khác nhau có thể được đo bằng cảm biến. Khói có thể được đưa vào luồng không khí để hiển thị đường đi của không khí xung quanh vật thể. Hoặc, những sợi chỉ nhỏ có thể được gắn vào những bộ phận cụ thể để thể hiện luồng không khí tại những điểm đó.

Đo lực khí động học

Vận tốc và áp suất không khí được đo bằng nhiều cách trong đường hầm gió.

Vận tốc không khí qua phần thử nghiệm được xác định theo nguyên lý Bernoulli. Đo áp suất động, áp suất tĩnh và (chỉ dành cho dòng nén) độ tăng nhiệt độ trong luồng không khí. Hướng của luồng không khí xung quanh mô hình có thể được xác định bằng các chùm sợi gắn vào bề mặt khí động học. Hướng của luồng không khí tiếp cận một bề mặt có thể được hình dung bằng cách gắn các sợi vào luồng không khí phía trước và phía sau mô hình thử nghiệm. Khói hoặc bong bóng chất lỏng có thể được đưa vào luồng không khí ngược dòng của mô hình thử nghiệm và đường đi của chúng xung quanh mô hình có thể được chụp ảnh.

Lực khí động học trên mô hình thử nghiệm thường được đo bằng cân dầm (beam balance), kết nối với mô hình thử nghiệm bằng dầm, dây hoặc cáp.

Sự phân bố áp suất trên mô hình thử nghiệm trước đây được đo bằng cách khoan nhiều lỗ nhỏ dọc theo đường dẫn khí và sử dụng áp kế nhiều ống để đo áp suất tại mỗi lỗ. Sự phân bố áp suất có thể được đo thuận tiện hơn bằng cách sử dụng sơn nhạy áp, trong đó áp suất cục bộ cao hơn được biểu thị bằng độ huỳnh quang thấp hơn của sơn tại điểm đó. Sự phân bổ áp suất cũng có thể được đo một cách thuận tiện bằng cách sử dụng đai áp suất nhạy cảm với áp suất, một sự phát triển gần đây trong đó nhiều mô-đun cảm biến áp suất cực nhỏ được tích hợp vào một dải linh hoạt. Dải này được gắn vào bề mặt khí động học bằng băng dính và gửi tín hiệu mô tả sự phân bố áp suất dọc theo bề mặt của nó.

Sự phân bố áp suất trên mô hình thử nghiệm cũng có thể được xác định bằng cách thực hiện khảo sát dòng xoáy, trong đó một ống pitot đơn được sử dụng để thu được nhiều số đọc ở phía sau mô hình thử nghiệm hoặc một áp kế nhiều ống được lắp ở phía sau và tất cả các số đọc của nó được lấy.

Các đặc tính khí động học của một vật thể không thể giữ nguyên hoàn toàn đối với một mô hình được chia tỷ lệ. Tuy nhiên, bằng cách tuân thủ các quy tắc tương tự nhất định, có thể đạt được sự tương ứng rất thỏa đáng giữa các đặc tính khí động học của mô hình thu nhỏ và vật thể có kích thước đầy đủ. Việc lựa chọn các tham số tương tự phụ thuộc vào mục đích của phép thử, nhưng các điều kiện quan trọng nhất cần đáp ứng thường là:

• Tương tự về hình học: tất cả các kích thước của đối tượng phải được chia cùng tỷ lệ.
• Số Mach: tỷ lệ tốc độ không khí với tốc độ âm thanh phải giống nhau đối với mô hình tỷ lệ và vật thể thực tế (có số Mach giống hệt nhau trong đường hầm gió và xung quanh vật thể thực tế không bằng với việc có tốc độ không khí giống hệt nhau).
• Số Reynolds: tỉ số giữa lực quán tính và lực nhớt cần được giữ nguyên. Thông số này khó đáp ứng với mô hình tỷ lệ và đã dẫn đến sự phát triển của các đường hầm gió điều áp và đông lạnh trong đó độ nhớt của chất lỏng làm việc có thể thay đổi đáng kể để bù đắp cho tỷ lệ giảm của mô hình.

Đường hầm gió hoạt động như thế nào?

Không khí được thổi hoặc hút qua một ống dẫn có trang bị cổng quan sát và thiết bị đo, nơi các mô hình hoặc hình dạng hình học được gắn vào để nghiên cứu. Thông thường không khí được di chuyển qua đường hầm bằng cách sử dụng một loạt quạt thổi. Đối với các đường hầm gió rất lớn có đường kính vài mét, một chiếc quạt lớn sẽ là không thực tế, và do đó, sẽ thiết lập một dãy nhiều quạt sử dụng song song để cung cấp đủ luồng không khí. Do yêu cầu về thể tích và tốc độ chuyển động của không khí, quạt có thể được cung cấp năng lượng từ động cơ phản lực cánh quạt cố định thay vì động cơ điện.

Luồng không khí được tạo ra bởi các quạt đi vào đường hầm tự nó rất hỗn loạn do chuyển động của cánh quạt (khi quạt thổi không khí vào khu vực thử nghiệm – khi nó hút không khí ra khỏi khu vực thử nghiệm ở phía sau thì sự chuyển động xoáy của cánh quạt không phải là một yếu tố), và do đó không trực tiếp hữu ích cho các phép đo chính xác. Không khí di chuyển qua đường hầm cần phải tương đối không có nhiễu loạn và có dạng tầng. Để khắc phục vấn đề này, các cánh gió dọc và ngang cách đều nhau được sử dụng để làm dịu luồng không khí hỗn loạn trước khi đến đối tượng thử nghiệm.

Mặt cắt hình tròn: Do ảnh hưởng của độ nhớt, mặt cắt ngang của hầm gió thường là hình tròn chứ không phải hình vuông, vì sẽ có sự co thắt dòng chảy lớn hơn ở các góc của đường hầm vuông có thể làm cho dòng chảy hỗn loạn. Một đường hầm tròn cung cấp một dòng chảy mượt mà hơn.

Bề mặt đường hầm gió: Mặt bên trong của đường hầm thường càng nhẵn càng tốt để giảm lực cản bề mặt và nhiễu loạn có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của thử nghiệm. Ngay cả những bức tường nhẵn cũng gây ra một số lực cản đối với luồng không khí, và do đó vật thể đang được thử nghiệm thường được giữ ở gần tâm đường hầm, với một vùng đệm trống giữa vật thể và các bức tường đường hầm. Có các hệ số hiệu chỉnh liên quan đến kết quả thử nghiệm trong hầm gió với kết quả ngoài trời.

Ánh sáng: đèn chiếu sáng thường được gắn vào các bức tường tròn của đường hầm và chiếu qua cửa sổ. Nếu ánh sáng được gắn ở bề mặt bên trong của đường hầm theo cách thông thường, bóng đèn sẽ tạo ra nhiễu loạn khi không khí thổi xung quanh nó. Tương tự, việc quan sát thường được thực hiện thông qua các ô cửa sổ trong suốt dẫn vào đường hầm. Thay vì chỉ đơn giản là những chiếc đĩa phẳng, những cửa sổ chiếu sáng và quan sát này có thể được uốn cong để phù hợp với mặt cắt ngang của đường hầm và làm giảm hơn nữa sự nhiễu loạn xung quanh cửa sổ.

Các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để nghiên cứu luồng không khí thực tế xung quanh hình học và so sánh nó với các kết quả lý thuyết, cũng phải tính đến số Reynolds và số Mach cho chế độ vận hành.

Đo áp suất

Áp suất trên các bề mặt của mô hình có thể được đo nếu mô hình bao gồm các vòi đo áp suất. Điều này có thể hữu ích cho các hiện tượng do áp lực chi phối, nhưng chỉ tính đến các lực bình thường tác dụng lên vật thể.

Đo lực và mô men

Với mô hình được gắn trên một hệ cân bằng lực, người ta có thể đo lực nâng (lift), lực kéo/cản (drag), lực ngang (lateral), mô men lệch (yaw), lăn (roll) và nghiêng (pitching) trong một phạm vi góc tấn (attack). Điều này cho phép người ta tạo ra các đường cong chung như hệ số lực nâng so với góc tấn.

Bản thân sự cân bằng lực tạo ra lực cản và nhiễu loạn tiềm ẩn sẽ ảnh hưởng đến mô hình và gây ra sai số trong các phép đo. Do đó, các cấu trúc hỗ trợ thường có hình dạng trơn tru để giảm thiểu nhiễu loạn.

Trực quan hóa dòng chảy

Vì không khí trong suốt nên khó có thể quan sát trực tiếp sự chuyển động của không khí. Thay vào đó, nhiều phương pháp trực quan hóa dòng chảy định lượng và định tính đã được phát triển để thử nghiệm trong đường hầm gió.

Phương pháp định tính

• Khói (Smoke)
• Phun CO2
• Các chùm sợi, chùm nhỏ hoặc chùm hình nón có thể được áp dụng cho mô hình và vẫn được gắn vào trong quá trình thử nghiệm. Các chùm sợi có thể được sử dụng để đánh giá mô hình luồng không khí và sự phân tách dòng chảy. Các chùm sợi đôi khi được làm bằng vật liệu huỳnh quang và được chiếu sáng dưới đèn UV black light để hỗ trợ việc quan sát.
• Huyền phù bay hơi chỉ đơn giản là hỗn hợp của một số loại hoặc bột mịn, bột talc hoặc đất sét trộn thành chất lỏng có nhiệt ẩn bay hơi thấp. Khi gió bật, chất lỏng bay hơi nhanh chóng, để lại đất sét theo kiểu đặc trưng của luồng không khí.
• Dầu: Khi bôi dầu lên bề mặt mô hình, nó có thể cho thấy rõ sự chuyển đổi từ dòng chảy tầng sang dòng chảy rối cũng như sự phân tách dòng chảy.
• Sơn Tempera: Tương tự như dầu, sơn Tempera có thể được áp dụng lên bề mặt của mô hình bằng cách ban đầu sơn theo các chấm cách đều nhau. Sau khi chạy hầm gió, có thể xác định được hướng dòng chảy và sự phân tách. Một chiến lược bổ sung trong việc sử dụng sơn Tempera là sử dụng đèn UV (Blacklight) để tạo ra dòng chảy phát sáng bằng sơn Tempera.
• Sương mù (thường là từ các hạt nước) được tạo ra bằng máy phun khí dung áp điện siêu âm. Sương mù được vận chuyển bên trong hầm gió (tốt nhất là loại có mạch kín và phần thử nghiệm kín). Một lưới gia nhiệt bằng điện được lắp trước khu vực thử nghiệm, làm bay hơi các hạt nước ở vùng lân cận, do đó tạo thành các tấm sương mù. Các tấm sương mù có chức năng sắp xếp hợp lý trên mô hình thử nghiệm khi được chiếu sáng bởi một tấm ánh sáng.
• Thăng hoa (Sublimation): Nếu chuyển động của không khí trong đường hầm đủ không hỗn loạn, dòng hạt được giải phóng vào luồng không khí sẽ không bị vỡ ra khi không khí di chuyển dọc theo mà ở lại với nhau thành một đường mỏng sắc nét. Nhiều luồng hạt được giải phóng từ một mạng lưới nhiều vòi phun có thể tạo ra hình dạng ba chiều động của luồng không khí xung quanh vật thể. Giống như cân bằng lực, các ống phun và vòi phun này cần phải được định hình theo cách giảm thiểu việc đưa luồng khí hỗn loạn vào luồng không khí.
• Thăng hoa (định nghĩa thay thế): Kỹ thuật trực quan hóa dòng chảy là phủ mô hình trong một vật liệu có thể thăng hoa khi gió được bật ở những khu vực có luồng không khí phân tầng, vật liệu sẽ vẫn gắn liền với mô hình, trong khi ngược lại ở những khu vực hỗn loạn vật liệu sẽ bay hơi khỏi mô hình. Kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng để xác minh rằng các điểm ngắt được đặt ở cạnh đầu nhằm buộc chuyển đổi có đạt được mục tiêu dự định một cách thành công hay không.

Sự hỗn loạn và xoáy tốc độ cao có thể khó nhìn thấy trực tiếp, nhưng đèn nhấp nháy và máy quay phim hoặc máy ảnh kỹ thuật số tốc độ cao có thể giúp ghi lại những sự kiện bị mờ bằng mắt thường.

Camera tốc độ cao cũng được yêu cầu khi đối tượng thử nghiệm đang di chuyển ở tốc độ cao, chẳng hạn như cánh quạt máy bay. Máy ảnh có thể ghi lại các hình ảnh chuyển động – tĩnh về cách lưỡi cánh cắt qua các dòng hạt và cách tạo ra các xoáy dọc theo các mép sau của lưỡi cánh chuyển động.

Phương pháp định lượng

• Sơn nhạy áp lực (Pressure Sensitive Paint – PSP): PSP là một kỹ thuật trong đó mô hình được phun phủ một lớp sơn phản ứng với sự thay đổi áp suất bằng cách thay đổi màu sắc. Cùng với kỹ thuật này, máy ảnh thường được đặt ở các góc nhìn chiến lược xuyên qua tường, trần và sàn của đường hầm gió để chụp ảnh mô hình khi có gió thổi. Các kết quả chụp ảnh có thể được số hóa để tạo ra sự phân bổ đầy đủ các áp lực bên ngoài tác động lên mô hình và sau đó được ánh xạ lên lưới hình học tính toán để so sánh trực tiếp với kết quả CFD.

Các phép đo PSP có thể có hiệu quả trong việc nắm bắt các thay đổi áp suất trên mô hình tuy nhiên thường yêu cầu các vòi áp suất bổ sung trên bề mặt mô hình để xác minh độ lớn tuyệt đối của hệ số áp suất. Một đặc tính quan trọng của sơn PSP hoạt động tốt là chúng cũng không nhạy cảm với ảnh hưởng của nhiệt độ vì nhiệt độ bên trong hầm gió có thể thay đổi đáng kể sau khi chạy liên tục. Những khó khăn thường gặp khi sử dụng PSP bao gồm không thể đo chính xác hiệu ứng cạnh đầu và cuối ở những khu vực có độ cong cao do hạn chế về khả năng của máy ảnh trong việc đạt được góc nhìn thuận lợi.

Ngoài ra, việc áp dụng PSP ở cạnh trước đôi khi bị tránh vì nó tạo ra độ dày hữu hạn có thể gây ra sự phân tách dòng chảy sớm, do đó làm sai lệch kết quả. Do sự thay đổi áp suất ở mép trước thường được quan tâm hàng đầu nên việc thiếu kết quả chính xác ở vùng đó là rất khó giải quyết. Khi một mô hình được sơn bằng sơn nhạy áp lực, một số loại sơn nhất định đã được biết là có khả năng bám dính và tiếp tục hoạt động trong vài tháng sau khi sơn lần đầu. Cuối cùng, sơn PSP được biết là có các đặc tính tần số nhất định, trong đó một số loại sơn cần một chút thời gian để ổn định trước khi đạt được kết quả chính xác trong khi các loại sơn khác hội tụ nhanh chóng. Trong trường hợp thứ hai, các loại sơn có khả năng phản ánh những thay đổi nhanh chóng về áp suất có thể được sử dụng cho các ứng dụng Dynamic PSP với mục đích đo các đặc tính dòng chảy không ổn định.

• Đo tốc độ hình ảnh hạt (Particle Image Velocimetry – PIV): PIV là một kỹ thuật trong đó một tấm laser được phát ra qua một khe trên tường của đường hầm nơi một thiết bị hình ảnh có thể theo dõi hướng vận tốc cục bộ của các hạt trong mặt phẳng của tấm laser. Đôi khi kỹ thuật này liên quan đến việc gieo mầm luồng khí bằng vật liệu có thể quan sát được. Kỹ thuật này cho phép đo định lượng vận tốc và hướng của dòng chảy qua các khu vực được ghi lại trong mặt phẳng của tia laser.

• Đo biến dạng mô hình (Model Deformation Measurement – MDM): MDM hoạt động bằng cách đặt các điểm đánh dấu tại các vị trí hình học đã biết trên mô hình đường hầm gió và chụp ảnh sự thay đổi vị trí của điểm đánh dấu khi có gió trong đường hầm tác dụng. Bằng cách phân tích sự thay đổi vị trí điểm đánh dấu từ các góc nhìn khác nhau của camera, có thể tính toán được sự thay đổi tịnh tiến ở vị trí của điểm đánh dấu. Bằng cách thu thập kết quả từ một số điểm đánh dấu, có thể tính toán được mức độ linh hoạt của mô hình do tải trọng không khí.

Phân loại

Có nhiều loại đường hầm gió khác nhau. Chúng thường được phân loại theo phạm vi tốc độ đạt được trong phần thử nghiệm, như sau:

• Đường hầm gió tốc độ thấp
• Đường hầm gió tốc độ cao
• Hầm gió cận âm và xuyên âm
• Đường hầm gió siêu âm Supersonic
• Đường hầm gió siêu âm Hypersonic
• Đường hầm gió entanpy cao

Các đường hầm gió cũng được phân loại theo hướng của luồng không khí trong phần thử nghiệm theo trọng lực. Thông thường, chúng được định hướng theo chiều ngang, như xảy ra khi bay ngang. Một loại đường hầm gió khác được định hướng theo chiều dọc để có thể cân bằng trọng lực bằng lực kéo thay vì lực nâng và chúng đã trở thành một hình thức giải trí phổ biến để mô phỏng sky-diving:

• Đường hầm gió thẳng đứng

Đường hầm gió cũng được phân loại dựa trên mục đích sử dụng chính của chúng. Đối với những phương tiện được sử dụng trên mặt đất như ô tô, loại khí động học của sàn cũng rất quan trọng. Chúng thay đổi từ các tầng cố định đến các tầng di chuyển hoàn toàn, với các tầng di chuyển nhỏ hơn và một số nỗ lực kiểm soát mức ranh giới cũng rất quan trọng.