풍동

Wind tunnel
https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/side_image/public/thumbnails/image/edu_wind_tunnels_1.jpg?itok=pZg9nFzN
비행기 규모 모형 나사 풍동
1960년 아놀드 공군기지의 16피트 초음속 풍동
날개끝 소용돌이의 경로선을 보여주는 헬륨이 채워진 기포를 가진 세스나 모형

풍동은 물체가 튜브 안에 정지해 있는 기계이고, 물체와 움직이는 공기 사이의 상호작용을 연구하기 위해 공기를 그 주변에 불어 넣는 기계입니다.그것들은 항공기, 로켓, 자동차, 건물의 공기역학적 효과를 시험하는 데 사용됩니다.다양한 바람 터널의 크기는 가로 길이가 1피트 미만에서 100피트(30m) 이상이며, 가벼운 바람부터 극초음속까지 속도로 이동하는 공기를 가질 수 있습니다.

일반적으로 대형 팬은 바람 터널을 통해 공기를 이동시키고, 시험 대상은 정지 상태로 유지됩니다.물체는 실린더나 에어포일과 같은 공기역학적 테스트 물체, 항공기의 개별 부품, 차량의 소형 모델, 또는 가장 큰 터널에서, 심지어 대형 차량일 수도 있습니다.이러한 테스트에서는 서로 다른 측정을 수행할 수 있습니다.물체 전체에 작용하는 공기역학적 힘을 측정할 수도 있고, 물체의 개별 구성요소에 작용하는 힘을 측정할 수 있습니다.여러 지점의 공기압은 센서로 측정할 수 있습니다.연기는 공기가 물체 주변에서 이동하는 경로를 보여주기 위해 공기 흐름에 도입될 수 있습니다.또는 작은 나사산을 특정 부품에 부착하여 해당 지점의 공기 흐름을 표시할 수도 있습니다.

가장 초기의 풍동은 19세기 말, 항공 연구 초기에 공기보다 더 무거운 비행 기계를 개발하려는 노력의 일환으로 발명되었습니다.풍동이 평소의 상황을 역전시켰습니다.공기가 가만히 서 있고 항공기가 움직이는 대신, 물체가 가만히 있고 공기가 그 주위를 움직입니다.이러한 방법으로 정지한 관측자는 비행 물체를 연구할 수 있으며, 그 물체에 작용하는 공기역학적 힘을 측정할 수 있습니다.

바람 터널의 개발은 비행기의 개발을 수반했습니다.세계 2차 대전 당시 대형 풍동이 만들어졌고, 초음속 항공기가 개발되면서 이를 시험하기 위해 초음속 풍동이 만들어졌습니다.풍동 시험은 냉전 시대에 항공기와 미사일 개발을 위해 전략적으로 중요하게 여겨졌습니다.

바람 터널에 대해서도 다른 문제들이 연구되고 있습니다.건물이 바람에 의해 상당한 영향을 받을 수 있을 정도로 높아졌을 때, 바람이 인간이 만든 구조물에 미치는 영향을 연구할 필요가 있습니다.매우 높은 건물들은 바람에 큰 표면을 보여주고, 그로 인한 힘은 건물의 내부 구조에 의해 저항을 받아야 합니다. 그렇지 않으면 건물이 붕괴될 것입니다.건물 코드가 이러한 건물의 요구되는 강도를 지정하기 전에 그러한 힘을 결정하는 것이 필요했고 이러한 테스트는 대형 또는 특이한 건물에 계속 사용됩니다.

1960년대부터 [1]풍동 시험은 비행기와 같은 방식으로 공기역학적 힘을 결정하는 것이 아니라 공기역학적 항력을 감소시켜 차량의 연비를 높이기 위해 자동차에 적용되었습니다.이들 연구에서는 도로와 차량의 상호작용이 중요한 역할을 하며, 시험결과를 해석할 때는 이러한 상호작용을 고려해야 합니다.현실 세계에서는 도로와 공기가 정지한 상태에서 차량이 이동하고 있습니다.풍동 시험에서는 도로 주변의 공기와 함께 차량을 지나쳐 이동해야 합니다.이는 시험 차량 아래에서 이동하는 벨트를 사용하여 이동 도로를 시뮬레이션하고 있으며, 매우 유사한 장치가 항공기 이착륙 구성의 풍동 시험에 사용됩니다.

골프채, 골프공, 봅슬레이, 자전거, 그리고 경주용 자동차 헬멧을 포함한 바람 터널에서도 스포츠 장비가 연구되었습니다.헬멧 공기역학은 인디카나 포뮬러 원과 같은 오픈 콕핏 경주차에서 특히 중요합니다.헬멧에 과도한 리프트 힘이 가해지면 운전자의 목에 큰 무리를 줄 수 있으며, 헬멧 뒷면의 유동 분리는 난류성 버핏을 유발하여 고속 [2]주행 시 운전자의 시야가 흐려질 수 있습니다.

고속 디지털 컴퓨터에서의 전산 유체 역학(CFD) 모델링의 발전은 풍동 시험에 대한 수요를 감소시켰지만 완전히 제거하지는 못했습니다.많은 실제 문제들은 바람 터널에서 물리적 테스트의 필요성을 제거하기 위해 CFD에 의해 여전히 충분히 정확하게 모델링될 수 없습니다.

공기역학적 힘 측정

공기의 속도와 압력은 풍동에서 여러 가지 방법으로 측정됩니다.

시험 구간을 통과하는 공기 속도는 베르누이의 원리에 의해 결정됩니다.동적 압력, 정압 및 (압축 가능한 흐름에 한해) 기류 내 온도 상승 측정.공기역학 표면에 부착된 실들의 터프(tuft)에 의해 모델 주위의 공기 흐름의 방향이 결정될 수 있습니다.표면에 접근하는 기류의 방향은 테스트 모델 전후의 기류에 나사산을 장착하여 시각화할 수 있습니다.액체의 연기 또는 기포는 테스트 모델의 상류 기류로 유입될 수 있으며, 모델 주변의 경로를 촬영할 수 있습니다(입자 이미지 속도 측정 참조).

테스트 모델에 작용하는 공기역학적 힘은 일반적으로 빔 밸런스로 측정되며, 빔, 스트링 또는 케이블로 테스트 모델에 연결됩니다.

역사적으로 테스트 모델 전체의 압력 분포는 공기 흐름 경로를 따라 많은 작은 구멍을 뚫고 멀티 튜브 압력계를 사용하여 각 구멍의 압력을 측정했습니다.압력 분포는 압력에 민감한 페인트를 사용하여 보다 편리하게 측정할 수 있습니다. 이 페인트에서 높은 국부 압력은 해당 지점에서 페인트의 형광이 낮아짐으로써 표시됩니다.압력 분포는 여러 초소형 압력 센서 모듈이 유연한 스트립에 통합된 최근의 개발품인 압력 감응형 압력 벨트의 사용으로도 편리하게 측정할 수 있습니다.스트립은 공기역학 표면에 테이프로 부착되어 표면을 [3]따라 압력 분포를 나타내는 신호를 보냅니다.

시험 모델의 압력 분포는 단일 피토 튜브를 사용하여 시험 모델의 다운스트림에서 여러 개의 판독값을 얻거나 다운스트림에서 다중 튜브 압력계를 장착하여 모든 판독값을 얻는 웨이크 서베이를 수행하여 결정할 수도 있습니다.

물체의 공기역학적 특성이 축척된 [4]모델에서 모두 동일하게 유지될 수는 없습니다.그러나 일정한 유사성 규칙을 관찰함으로써 축척 모델의 공기역학적 특성과 실물 크기의 물체 사이의 매우 만족스러운 일치를 달성할 수 있습니다.유사성 모수의 선택은 검정의 목적에 따라 달라지지만, 만족해야 할 가장 중요한 조건은 일반적으로 다음과 같습니다.

  • 기하학적 유사성: 객체의 모든 차원은 비례적으로 축척되어야 합니다.
  • 마하 수: 음속에 대한 공기 속도의 비율은 축척 모델과 실제 물체에 대해 동일해야 합니다(풍동과 실제 물체 주변에 동일한 마하 수를 갖는 것은 동일한 공기 속도를 갖는 것과 동일하지 않습니다).
  • 레이놀즈 수: 점성력에 대한 관성력의 비율을 유지해야 합니다.이 매개변수는 규모화된 모델로는 만족하기 어려우며 모델의 축소된 규모를 보상하기 위해 작동 유체의 점도가 크게 변화할 수 있는 가압 및 극저온 풍동의 개발로 이어졌습니다.

특정한 시험 사례에서, 예를 들어, 다른 유사성 매개변수가 충족되어야 합니다.프라우드 넘버.

역사

오리진스

영국의 군사 공학자이자 수학자인 벤자민 로빈스 (1707–1751)는 항력을 결정하기[5] 위해 회전 팔 장치를 발명했고 항공 이론에서 최초의 실험들 중 일부를 했습니다.

조지 케일리 경(1773–1857) 또한 다양한 에어포일의 [6]항력과 양력을 측정하기 위해 선회 팔을 사용했습니다.그의 회전하는 팔은 5피트 (1.5미터) 길이였고 초당 10에서 20피트 (3에서 6미터/초) 사이의 최고 속도를 달성했습니다.

오토 릴리엔탈은 회전하는 팔을 사용하여 다양한 공격각을 가진 날개 에어포일을 정확하게 측정하여 상승 대 항력비 극도를 확립했지만 유도 항력과 레이놀즈 [7]수에 대한 개념이 부족했습니다.

라이트 형제의 풍동 모형
오트유 연구소의 에펠 풍동.

그러나 회전하는 암은 정상적인 발생 시 시험 형상에 영향을 미치는 신뢰할 수 있는 공기 흐름을 생성하지 못합니다.원심력과 물체가 자체적으로 움직이고 있다는 사실은 공기 흐름에 대한 자세한 조사가 어렵다는 것을 의미합니다.1871년 [8][9]영국 항공학회의 회원인 프란시스 허버트 웬햄(Francis Herbert Wenham, 1824–1908)은 최초의 밀폐형 풍동을 발명, 설계, 운영함으로써 이러한 문제들을 해결했습니다.이러한 획기적인 발전이 이루어지자 이 도구를 사용하여 세부적인 기술 데이터를 신속하게 추출할 수 있었습니다.Wenham과 그의 동료 John Browning은 l/d 비율의 측정과 높은 종횡비의 유익한 효과의 발견을 포함한 많은 근본적인 발견으로 인정받고 있습니다.

콘스탄틴 치올코브스키는 1897년에 원심 송풍기로 개방 단면 풍동을 만들어 평판, 원통, 구형의 항력계수를 구했습니다.

덴마크의 발명가인 Poulla Cour는 1890년대 초에 풍력 터빈의 기술을 개발하고 정제하는 과정에서 풍력 터널을 적용했습니다.칼 리카드 니버그(Carl Rickard Nyberg)는 1897년부터 이후까지 플루건을 설계할 때 풍동을 사용했습니다.

고전적인 일련의 실험에서 맨체스터 대학의 영국인 Osborne Reynolds (1842–1912)는 일정한 유동 매개변수가 두 경우 모두 동일할 경우 스케일 모델에 대한 공기 흐름 패턴이 완전한 차량에서 동일할 것임을 증명했습니다.현재 레이놀즈 수로 알려진 이 인자는 유동 패턴의 모양, 열 전달의 용이성 및 난류의 시작을 포함한 모든 유체-유동 상황의 설명에 있어 기본적인 매개변수입니다.이것은 실제 현상을 시뮬레이션하기 위해 바람 터널에서 모델을 사용하는 것에 대한 중심적인 과학적 정당성으로 구성됩니다.그러나 동적 유사성이 레이놀즈 수에만 기반을 두는 조건에는 제한이 있습니다.

1901년 라이트 형제가 라이트 플라이어를 개발하는 동안 다양한 모양에 걸쳐 공기 흐름의 영향을 연구하기 위해 간단한 풍동을 사용한 것은 어떤 면에서는 [10]혁명적이었습니다.그러나 위에서 알 수 있듯이 그들은 단순히 당대의 통용되는 기술을 사용하고 있었습니다. 비록 이것이 미국에서 아직 일반적인 기술은 아니었지만 말입니다.

프랑스에서 귀스타브 에펠(1832–1923)은 1909년 자신의 이름이 새겨진 탑 기슭 근처 샹드마르스에 67마력(50kW) 전기 모터에 의해 구동되는 최초의 개방형 풍동을 지었습니다.

1909년에서 1912년 사이에 에펠은 그의 풍동에서 약 4,000개의 시험을 했고, 그의 체계적인 실험은 항공 연구를 위한 새로운 기준을 세웠습니다.1912년 에펠의 연구소는 파리 교외의 오튀우로 옮겨졌고, 그곳에서 2미터 시험 구간이 있는 바람 터널은 [11]오늘날에도 여전히 작동하고 있습니다.Eiffel은 시험구간을 챔버 안에 둘러싸서 개방-복귀 풍동의 효율성을 크게 향상시켰으며,허니콤 플로우 스트레이트너로 플레어 입구를 설계하고 테스트 섹션과 디퓨저의 하류 끝에 위치한 팬 사이에 디퓨저를 추가하는 것; 이것은 나중에 건설된 다수의 풍력 터널이 뒤따르는 배열이었습니다; 사실, 개방-복귀 저속 풍력 터널은 종종 에펠형 풍력 터널이라고 불립니다.

광범위한 사용법

독일 항공연구소, 1935

공기역학과 항공공학의 학문이 확립되고 항공 여행과 동력이 발전하면서 풍력 터널의 후속 사용이 확산되었습니다.

1916년에 미국 해군은 워싱턴 해군 기지에 세계에서 가장 큰 풍동 중 하나를 만들었습니다.입구는 직경이 거의 11피트(3.4m)였고 배출부는 직경이 7피트(2.1m)였습니다.500마력(370kW)의 전기 모터가 패들 타입의 [12]팬 블레이드를 구동했습니다.

1931년 NACA는 버지니아 주 랭글리의 랭글리 연구 센터에 가로 30m, 세로 60피트 (세로 9.1m, 세로 18.3m)의 완전한 규모의 풍동을 지었습니다.터널은 4,000마력(3,000kW)의 전기 모터로 구동되는 한 쌍의 팬에 의해 구동되었습니다.이 배치는 이중 반송의 폐쇄 루프 형식으로, 실제 크기의 항공기는 물론 축척 모델까지 다수 수용할 수 있었습니다.이 터널은 결국 폐쇄되었고, 1995년에 국가역사유적지구로 지정되었음에도 불구하고, 2010년에 철거가 시작되었습니다.

제2차 세계대전 전까지, 1932년에서 1934년 사이에 지어진 세계에서 가장 큰 풍동은 프랑스의 샬레 [citation needed]뫼동의 파리 교외에 위치해 있었습니다.그것은 실물 크기의 항공기를 시험하기 위해 설계되었으며 6개의 대형 팬이 고출력 전기 [13]모터로 구동됩니다.샬라이스-뮤돈 풍동은 1976년까지 ONERA에서 S1Ch라는 이름으로 카라벨과 콩코드 비행기를 개발하는 데 사용되었습니다.오늘날 이 풍동은 국가기념물로 보존되어 있습니다.

루트비히 프란틀은 괴팅겐 대학교에서 테오도르 폰 카르만의 선생님이었고,[14]: 44 그들이 설계하고 있는 비행선의 시험을 위한 풍동의 건설을 제안했습니다.실린더 하류의 난류 와류 거리는 [14]: 63 터널에서 실험되었습니다.나중에 아헨 대학교로 이사했을 때 그는 이 시설을 사용했던 것을 기억했습니다.

괴팅겐의 풍동은 제플린의 행동을 연구하기 위한 도구로 시작된 것으로 기억합니다. 하지만 배의 스택에서 연기의 방향을 결정하는 것부터 주어진 비행기가 날지 여부에 이르기까지 다른 모든 것에 가치가 있음이 증명되었습니다.아헨에서의 발전은 좋은 [14]: 76 풍동 없이는 사실상 불가능할 것이라고 생각했습니다.

폰 카르만이 칼텍과 상담을 시작했을 때 그는 클라크 밀리컨, 아서 L.[14]: 124 클라인과 함께 일했습니다.그는 그들의 설계에 반대하고 장치를 "외부 대기의 변동으로부터 독립적"으로 만드는 리턴 플로우를 주장했습니다.1930년에 완성되어 노스롭 알파 [14]: 169 테스트에 사용되었습니다.

1939년 아놀드 장군은 미 공군을 발전시키기 위해 무엇이 필요한지 물었고, 폰 카르만은 "첫 번째 단계는 올바른 [14]: 226 풍동을 만드는 것입니다."라고 대답했습니다.한편, 벨 X-2의 성공과 더 발전된 연구에 대한 전망 이후, 그는 "저는 바람 [14]: 302–03 터널에서 모든 답을 얻을 수 있다고 결코 믿지 않았기 때문에 그런 비행기를 만드는 것에 찬성했습니다"라고 썼습니다.

제2차 세계 대전

1941년 미국은 오하이오주 데이튼에 있는 라이트 필드에 그 당시 가장 큰 풍력 터널 중 하나를 건설했습니다.이 풍동은 45피트(14m)에서 시작하여 지름이 6.1m로 좁아집니다.두 개의 40피트(12m) 팬은 40,000마력의 전기 모터로 구동되었습니다.대규모 항공기 모델은 시속 400 mph(640 km/h)[15]의 항공 속도로 테스트할 수 있었습니다.

제2차 세계대전 이전과 그 동안 Peenemünde의 독일 과학자들이 사용한 풍동은 큰 풍동의 유용한 범위를 확장하는 것과 관련된 어려움을 보여주는 흥미로운 예입니다.그것은 발굴에 의해 크기가 커진 후 바람 터널을 통해 이동할 수 있는 많은 양의 공기를 저장하기 위해 봉인된 몇몇 큰 자연 동굴을 사용했습니다.이 혁신적인 접근법은 고속 체제에서 실험실 연구를 가능하게 했고 독일의 항공 공학 노력의 발전 속도를 크게 가속화시켰습니다.전쟁이 끝날 무렵, 독일은 마하 4.4의 공기 흐름이 [16]가능한 최소 3개의 다른 초음속 풍동을 보유하고 있었습니다.

오스트리아 외츠탈 근처에 건설 중인 대형 풍력 터널은 두 개의 5만 마력의 유압 터빈에 의해 직접 구동되는 두 개의 팬이 있었을 것입니다.전쟁이 끝날 때까지 설치가 완료되지 않았고 해체된 장비는 1946년 프랑스 모데인으로 운송되어 그곳에 다시 설치되었고 여전히 ONERA에 의해 그곳에서 운영되고 있습니다.26피트(8미터)의 시험 구간과 마하 1까지의 공기 속도를 가진 세계 [17]최대의 초음속 풍동 시설입니다.

1942년 6월 22일, 커티스 라이트는 뉴욕주 버팔로에서 미국 최대 아음속 풍동 건설 자금을 조달했습니다.건축을 위한 최초의 콘크리트는 1942년 6월 22일 칼스판이 된 장소에 부어졌고, 그곳에서 풍동은 여전히 [18]작동합니다.

제2차 세계대전이 끝날 무렵, 미국은 캘리포니아 서니베일 근처의 모페트 필드에 세계에서 가장 큰 규모의 풍력 터널을 포함하여 8개의 새로운 풍력 터널을 건설했는데,[19] 이 터널은 시속 250마일(시속 400km) 이하의 속도로 풀사이즈 항공기를 시험하도록 설계되었으며 오하이오주 라이트 필드에는 수직 풍력 터널이 설치되어 있었습니다.바람의 흐름은 스핀 상황에서 모델의 테스트를 위해 위로 향합니다.[20] 그리고 미국에서 비행한 최초의 원시 헬리콥터의 개념과 엔지니어링 디자인.

제2차 세계대전후

NACA 풍동 실험체에서 높은 풍속이 사람의 얼굴에 미치는 영향

이후 음속 근처 또는 그 이상의 기류에 대한 연구는 관련된 접근법을 사용했습니다.금속 압력실은 고압 공기를 저장하기 위해 사용되었고, 그 후 초음속 흐름을 제공하도록 설계된 노즐을 통해 가속되었습니다.그런 다음 관측실 또는 계측실("시험 섹션")을 원하는 공기 속도에 맞게 목구멍 또는 노즐의 적절한 위치에 배치했습니다.

Langley Research Center에서 풍동 모형을 가진 Mary Jackson

미국에서는 독일이 건설한 연구시설에 비해 미국의 연구시설이 낙후된 것에 대한 우려로 1949년 풍동계획법이 제정되어 대학과 군사시설에 새로운 풍동을 건설하기 위한 지출을 허가하게 되었습니다.독일의 기술 개발을 [21]이용하기 위한 계획의 일환으로 일부 독일의 전시용 풍력 터널이 미국으로 운송하기 위해 해체되었습니다.

제한된 응용 분야의 경우, 전산 유체 역학(CFD)은 바람 터널의 사용을 보완하거나 대체할 수 있습니다.예를 들어, 실험용 로켓 비행기 SpaceShipOne은 바람 터널을 전혀 사용하지 않고 설계되었습니다.그러나 한 테스트에서는 날개 표면에 비행 실을 부착하여 실제 비행 중 바람 터널 유형의 테스트를 수행하여 계산 모델을 정교화했습니다.외부 난류 흐름이 존재하는 경우, CFD는 현재 컴퓨팅 자원의 한계로 인해 실용적이지 않습니다.예를 들어, 아직도 CFD를 사용하기에는 너무 복잡한 영역은 구조물, 교량 및 지형에 대한 흐름의 영향을 결정하는 것입니다.

미국 워싱턴대학교 아음속 풍동 커스틴 풍동 모형 개발

외부 난류 흐름을 시뮬레이션하는 가장 효과적인 방법은 경계층 풍동을 사용하는 것입니다.

경계층 풍동 모델링에는 많은 응용이 있습니다.예를 들어, 고층 건물, 공장, 교량 등에 대한 바람의 영향을 이해하는 것은 건물 설계자가 바람 효과에 가장 효율적인 방법으로 대항하는 구조를 구성하는 데 도움이 될 수 있습니다.경계층 풍동 모델링의 또 다른 중요한 응용은 병원, 실험실 및 기타 배출원에 대한 배기가스 분산 패턴을 이해하는 것입니다.경계층 풍동 적용의 다른 예로는 보행자의 편안함과 눈보라에 대한 평가가 있습니다.바람 터널 모델링은 녹색 건축물 설계에 도움이 되는 방법으로 받아들여지고 있습니다.예를 들어, 경계층 풍동 모델링의 사용은 미국 녹색 건축 위원회를 통한 LEED(Leadership in Energy and Environmental Design) 인증에 대한 크레딧으로 사용될 수 있습니다.

1990년 랭글리 연구센터의 16피트 초음속 풍동 팬블레이드, 2004년 퇴역

경계층 풍동에서의 풍동 시험은 지구 표면의 자연적인 항력을 모의할 수 있게 해줍니다.정확성을 위해서는 평균 풍속 프로파일과 대기 경계층 내 난류 영향을 시뮬레이션하는 것이 중요합니다.대부분의 코드와 표준은 바람 터널 시험이 설계자에게 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 수 있으며, 특히 프로젝트가 복잡한 지형에 있거나 노출된 장소에 있을 때 더욱 그러합니다.

미국에서는 1990년부터 2010년까지 역사적인 시설을 포함한 많은 풍동이 해체되었습니다.사용이 감소하거나 불규칙적으로 발생하는 바람 터널, 높은 전기 비용, 일부 경우에는 시설이 위치한 부동산의 높은 가치로 인해 남아 있는 바람 터널에 압력이 가해집니다.한편, CFD 검증에는 여전히 풍동 데이터가 필요하며, 이는 가까운 미래에 해당될 가능성이 높습니다.미래의 군사적, 상업적 풍동 수요를 평가하기 위한 연구들이 진행되고 있고 다른 연구들도 진행되고 있지만, 그 결과는 여전히 [22]불확실합니다.최근에는 제트 동력, 계기 무인 자동차, 즉 연구용 드론의 사용이 증가하면서 기존의 풍력 [23]터널의 일부 사용을 대체하고 있습니다.2019년 현재 세계에서 가장 빠른 풍동은 뉴욕 [24]버팔로에 위치한 LENS-X 풍동입니다.

작동 원리

커스틴 풍동 아래의 6요소 외부균형

연구를 위해 모형이나 기하학적 형상이 장착된 기기와 뷰잉 포트가 장착된 덕트를 통해 공기를 송풍 또는 흡입합니다.일반적으로 공기는 일련의 팬을 사용하여 터널을 통해 이동됩니다.직경 수 미터의 매우 큰 풍력 터널의 경우, 단일 대형 팬은 실용적이지 않으며, 대신 충분한 공기 흐름을 제공하기 위해 여러 팬 배열이 병렬로 사용됩니다.필요한 공기량과 속도가 크기 때문에 팬은 전기 모터가 아닌 정지 상태의 터보팬 엔진으로 구동될 수 있습니다.

터널로 들어오는 팬에 의해 생성되는 공기 흐름은 팬 블레이드 운동(팬이 테스트 섹션으로 공기를 불어넣을 때 – 팬이 테스트 섹션 하류에서 공기를 흡입할 때 팬 블레이드 난류는 요인이 되지 않음)으로 인해 매우 난류가 발생하므로 정확한 측정에는 직접적으로 유용하지 않습니다.터널을 통해 이동하는 공기는 비교적 난류가 없고 층층이 있어야 합니다.이 문제를 해결하기 위해 시험 대상에 도달하기 전에 수직 및 수평 에어 베인을 사용하여 난류 기류를 부드럽게 합니다.

풍동의 단면은 점성의 영향으로 인해 사각형이 아닌 원형이 일반적인데, 사각형 터널의 모서리에서 유동의 수축이 심하여 유동이 난류할 수 있기 때문입니다.원형 터널은 더 부드러운 흐름을 제공합니다.

터널의 안쪽 면은 일반적으로 시험의 정확도에 영향을 미칠 수 있는 표면 항력과 난류를 줄이기 위해 가능한 한 부드럽게 되어 있습니다.매끄러운 벽도 공기 흐름으로 약간의 항력을 유도하기 때문에 테스트 대상은 보통 터널 중앙 근처에 유지되며, 물체와 터널 벽 사이에 빈 완충 구역이 있습니다.풍동 시험 결과를 외기 결과와 연관시키는 보정 인자가 있습니다.

조명은 보통 터널의 원형 벽에 박혀 창문을 통해 비춥니다.기존 방식으로 터널 내부 표면에 조명을 설치했다면, 전구 주변의 공기가 불어오면서 난기류가 발생할 것입니다.마찬가지로 관찰은 대개 투명한 포트홀을 통해 터널로 들어갑니다.이러한 조명 및 관측창은 단순히 평면 디스크가 아닌 터널의 단면과 일치하도록 만곡되어 있어 창 주변의 난류를 더욱 감소시킬 수 있습니다.

다양한 기법들이 기하학 주변의 실제 기류를 연구하고 이론적 결과와 비교하기 위해 사용되며, 이는 또한 작동 체제에 대한 레이놀즈 수와 마하 수를 고려해야 합니다.

압력측정

모형에 압력 탭이 포함된 경우 모형 표면에 걸친 압력을 측정할 수 있습니다.이것은 압력이 지배하는 현상에 유용할 수 있지만, 이것은 몸에 작용하는 정상적인 힘만을 설명합니다.

힘 및 모멘트 측정

전형적인 양력계수 대 공격곡선의 각도

힘 균형에 장착된 모델을 사용하면 공격 각도 범위에서 리프트, 드래그, 측면 힘, 요, 롤링 및 피칭 모멘트를 측정할 수 있습니다.이를 통해 양력 계수 대 공격 각도(그림)와 같은 공통 곡선을 생성할 수 있습니다.

힘 균형 자체가 모형에 영향을 주고 측정에 오류를 발생시키는 항력 및 잠재적 난류를 발생시킵니다.따라서 지지 구조물은 일반적으로 난류를 최소화하기 위해 매끄럽게 형성됩니다.

흐름 시각화

공기가 투명하기 때문에 공기의 움직임 자체를 직접 관찰하기는 어렵습니다.대신, 풍동에서의 시험을 위해 정량적 및 정성적 흐름 시각화 방법의 여러 방법이 개발되었습니다.

정성법

  • 연기
  • 이산화탄소 주입
  • 터프, 미니 터프 또는 플로우 콘은 모델에 적용할 수 있으며 테스트 중에도 부착된 상태를 유지할 수 있습니다.터프는 공기 흐름 패턴과 흐름 분리를 측정하는 데 사용될 수 있습니다.터프는 때때로 형광 물질로 만들어지며 시각화를 돕기 위해 검은 빛 아래에서 빛납니다.
  • 증발 현탁액은 단순히 낮은 증발 잠열을 가진 액체에 혼합된 일종의 미세한 분말, 활석 또는 점토의 혼합물입니다.바람이 불면 액체가 빠르게 증발하면서 점토가 공기 흐름의 패턴으로 남게 됩니다.
  • 오일: 오일을 모델 표면에 도포하면 층류에서 난류로의 전환 및 흐름 분리를 명확하게 보여줄 수 있습니다.
  • 템페라 페인트: 오일과 마찬가지로 처음에 페인트를 띄어 놓은 점으로 칠하면 템페라 페인트를 모델 표면에 도포할 수 있습니다.풍동을 가동한 후 유동 방향과 이격 여부를 확인할 수 있습니다.템페라 페인트를 사용할 때 추가적인 방법은 블랙라이트를 사용하여 템페라 페인트로 발광 흐름 패턴을 만드는 것입니다.
  • 안개(일반적으로 물 입자에서 발생)는 초음파 압전 분무기로 생성됩니다.안개는 풍동 내부로 운반됩니다(폐쇄 회로 및 폐쇄 시험 구간 유형이 좋습니다).전기 가열식 그리드가 테스트 섹션 전에 삽입되어 주변의 물 입자를 증발시켜 안개 시트를 형성합니다.안개 시트는 조명 시트에 의해 켜지면 테스트 모델 전체에 걸쳐 유선형으로 기능합니다.
  • 승화:터널 안의 공기 이동이 충분히 불안정하면 공기가 이동하면서 공기 흐름으로 방출되는 입자 흐름이 분해되지 않고 날카로운 가는 선으로 함께 있게 됩니다.다수의 노즐의 그리드에서 방출되는 다수의 입자 스트림은 몸체 주위의 공기 흐름의 역동적인 3차원 형상을 제공할 수 있습니다.힘 균형과 마찬가지로, 이러한 분사 파이프 및 노즐은 공기 흐름으로 난류 기류의 유입을 최소화하는 방식으로 형성되어야 합니다.
  • 승화(대체 정의):흐름 시각화 기법이란 공기 흐름이 층층이 되는 영역에서는 바람이 불면 물질이 모델에 부착된 상태로 유지되고 반대로 난류 영역에서는 물질이 모델 밖으로 증발하는 승화 가능한 물질로 모델을 코팅하는 것입니다.이 방법은 주로 전환을 강제하기 위해 선두 에지에 배치된 트립 점이 의도한 목표를 성공적으로 달성하고 있는지 확인하는 데 사용됩니다.

고속 난류와 소용돌이는 직접 보기 어려울 수 있지만 스트로브 조명과 필름 카메라 또는 고속 디지털 카메라는 육안으로 흐리게 보이는 사건을 포착하는 데 도움이 될 수 있습니다.

비행기 프로펠러와 같이 피실험자 자체가 고속으로 움직이는 경우에도 고속 카메라가 필요합니다.카메라는 블레이드가 미립자 흐름을 절단하는 방법과 이동하는 블레이드의 트레일링 에지를 따라 어떻게 소용돌이가 발생하는지에 대한 정지 동작 이미지를 캡처할 수 있습니다.

정량법

  • PSP(Pressure Sensitive Paint): PSP는 압력 변화에 반응하는 페인트로 모델을 스프레이 코팅하는 기술입니다.이 기술과 관련하여, 통상적으로 카메라는 바람이 부는 동안 모델을 촬영하기 위해 바람 터널의 벽, 천장, 바닥을 통해 전략적인 시야각에 배치됩니다.사진 결과를 디지털화하여 모델에 작용하는 외부 압력의 전체 분포를 생성한 후 CFD 결과와 직접 비교할 수 있도록 계산 기하학적 메시에 매핑할 수 있습니다.PSP 측정은 모델 전체의 압력 변화를 포착하는 데 효과적일 수 있지만, 압력 계수의 절대 크기를 확인하기 위해 모델 표면에 압력 탭을 보충해야 하는 경우가 많습니다.잘 작동하는 PSP 페인트의 중요한 특성은 지속적으로 작동한 후에 풍동 내부의 온도가 상당히 변할 수 있기 때문에 온도 영향에도 둔감해야 한다는 것입니다.PSP를 사용할 때 흔히 발생하는 어려움으로는 카메라가 유리한 시야각을 얻을 수 있는 한계로 인해 곡률이 높은 영역에서 선행 및 후행 에지 효과를 정확하게 측정할 수 없는 것이 있습니다.PSP가 초기 흐름 분리를 유발하여 결과를 손상시킬 수 있는 유한 두께를 도입하기 때문에 선두 에지에 추가로 적용하는 것은 때때로 피할 수 있습니다.선두 에지의 압력 변화는 일반적으로 주요 관심 사항이기 때문에 해당 영역에서 정확한 결과가 나타나지 않는 것은 매우 문제가 됩니다.모델에 압력에 민감한 페인트를 칠하면 일부 페인트가 접착되어 처음 도포된 후 몇 달 동안 계속 수행되는 것으로 알려져 있습니다.마지막으로 PSP 도료는 특정 주파수 특성을 가지고 있는 것으로 알려져 있는데, 어떤 것들은 정확한 결과를 얻기 전에 안정화되기까지 몇 분의 시간이 필요하고 다른 것들은 빠르게 수렴합니다.후자의 경우 압력의 급격한 변화를 반영하는 기능이 있는 페인트는 안정적이지 않은 유동 특성을 측정하는 것이 목적인 Dynamic PSP 응용 프로그램에 사용할 수 있습니다.
  • PIV(Particle Image Velocimetry): PIV는 레이저 시트의 평면에서 영상 장치가 입자의 국소 속도 방향을 추적할 수 있는 터널 벽의 슬릿을 통해 레이저 시트를 방출하는 기술.때때로 이 기술은 관찰 가능한 물질로 공기 흐름을 파종하는 것을 포함합니다.이 기술을 사용하면 레이저의 평면에서 포착된 영역에 걸쳐 흐름의 속도와 방향을 정량적으로 측정할 수 있습니다.
  • 모델 변형 측정(Model Deformation Measurement, MDM): MDM은 풍동 모델 상의 알려진 기하학적 위치에 마커를 배치하고 터널 내의 바람이 작용함에 따라 마커의 위치가 변화하는 것을 촬영하는 방식으로 작동합니다.서로 다른 카메라 시야각에서 마커 위치의 변화를 분석하여 마커의 병진 위치 변화를 계산할 수 있습니다.몇 개의 마커로부터 결과를 수집함으로써 공기 부하로 인해 모형이 유연하게 양보하는 정도를 계산할 수 있습니다.

분류

바람 터널에는 많은 다양한 종류가 있습니다.이러한 속도는 일반적으로 다음과 같이 테스트 섹션에서 달성되는 속도 범위에 따라 분류됩니다.

풍동은 또한 중력에 대한 시험 구간의 공기 흐름 방향에 따라 분류됩니다.일반적으로 수평 비행 중에 발생하는 것처럼 수평 방향으로 배치됩니다.다른 종류의 바람 터널은 수직 방향으로 배치되어 있어 중력이 양력 대신 항력으로 균형을 잡을 수 있으며, 스카이 다이빙을 시뮬레이션하는 데 인기 있는 레크리에이션 형태가 되었습니다.

풍동 또한 주된 용도에 따라 분류됩니다.자동차 및 트럭과 같은 육상 차량에 사용되는 플로어 공기역학의 유형도 중요합니다.이러한 요소들은 정지된 층부터 완전한 이동층까지 다양하며, 더 작은 이동층과 경계 레벨 제어의 시도도 중요합니다.

항공풍동

항공풍동의 주요 하위 범주는 다음과 같습니다.

하이 레이놀즈 수 터널

레이놀즈 수는 풍동에서 유동의 시뮬레이션을 위한 지배적인 유사성 매개변수 중 하나입니다.0.3보다 작은 마하 수의 경우 흐름 특성을 지배하는 주요 매개 변수입니다.풀 스케일 [citation needed]차량을 사용하여 풀 스케일 레이놀즈 수를 얻는 것은 실용적이지 않기 때문에, 높은 레이놀즈 수를 시뮬레이션하는 세 가지 주요 방법이 있습니다.

  • 가압 터널:여기서 테스트 가스는 레이놀즈 수를 증가시키기 위해 가압됩니다.
  • 중가스 터널:프레온과 R-134a와 같은 더 무거운 가스가 시험 가스로 사용됩니다.NASA Langley의 초음속 역학 터널은 그러한 터널의 한 예입니다.
  • 극저온 터널:여기서 테스트 가스는 레이놀즈 수를 증가시키기 위해 냉각됩니다.유럽의 초음속 풍동은 이 기술을 사용합니다.
  • 고고도 터널:이것들은 진공에 가까운 상태에서 다양한 항공기 모양에 대한 충격파의 영향을 시험하기 위해 고안되었습니다.1952년에 캘리포니아 대학은 처음으로 두 개의 고고도 풍력 터널을 건설했습니다: 하나는 지구 위 50에서 70마일에 있는 물체를 시험하기 위한 것이고, 다른 하나는 지구 [25]위 80에서 200마일에 있는 물체를 시험하기 위한 것입니다.

V/STOL 터널

V/STOL 터널은 넓은 단면적이 필요하지만, 작은 속도만 필요합니다.속도의 세제곱에 따라 전력이 달라지기 때문에 작업에 필요한 전력도 적습니다.V/STOL 터널의 예로는 NASA Langley 14 x 22 ft (4.3 x 6.7 m)[26] 터널이 있습니다.

스핀 터널

비행기는 정지할 때 회전하는 경향이 있습니다.이 터널들은 그 현상을 연구하는 데 사용됩니다.

자동차 터널

자동차 풍동은 두 가지 범주로 나뉩니다.

  • 외부 유동 터널은 섀시를 통과하는 외부 유동을 연구하는 데 사용됩니다.
  • 기후 터널은 다양한 기후 조건에서 도어 시스템, 제동 시스템 등의 성능을 평가하는 데 사용됩니다.대부분의 선도적인 자동차 제조업체들은 자체적인 기후 풍동을 가지고 있습니다.

Wunibald Kamm은 자동차를 [27]위한 최초의 전면적인 풍동을 만들었습니다.

외부 유동 터널의 경우 다양한 시스템이 도로 표면에 대한 경계 층의 영향을 보상하기 위해 사용됩니다. 여기에는 각 휠 및 차체 아래의 이동 벨트 시스템(5개 또는 7개 벨트 시스템) 또는 전체 차량 아래의 하나의 대형 벨트 시스템 또는 이를 [28]빨아들이기 위한 스쿱 또는 천공과 같은 다른 경계 층 제어 방법이 포함됩니다.

공기음향터널

이 터널들은 흐름에 의해 발생하는 소음과 그 억제에 대한 연구에 사용됩니다.

1941년 항공기 시험용으로 건설된 모스크바 중앙항공유체역학연구소의 수직풍동 T-105

고엔탈피

엔탈피 풍동은 지역 음속(극초음속)보다 훨씬 빠른 속도로 움직이는 물체 주변의 공기 흐름을 연구하기 위한 것입니다."엔탈피"는 온도, 압력과 부피의 곱, 그리고 흐름의 속도로 인한 내부 에너지로 구성된 가스 흐름의 총 에너지입니다.극초음속 비행의 조건을 복제하려면 많은 양의 고압, 가열된 공기가 필요합니다. 큰 가압 고온 저장고와 전기 아크가 [29]사용되는 두 가지 기술입니다.

유체역학 플룸

풍동의 공기역학적 원리는 물이 더 점성을 띠기 때문에 실험 대상에 더 큰 힘을 주는 것을 제외하고는 수상 선박에서도 동일하게 작용합니다.루프 플룸은 일반적으로 수중 역학 테스트에 사용됩니다.서로 다른 두 유형의 유체 사이의 상호작용은 순수 풍동 시험이 부분적으로만 관련이 있다는 것을 의미합니다.그러나, 견인 탱크에서도 유사한 유형의 연구가 수행되고 있습니다.

저속 대형액체시험

공기 흐름과 에어포일 운동의 속도 때문에 공기가 소규모 공기역학 원리를 연구하는 데 항상 최적의 시험 매체는 아닙니다.초파리 날개 연구는 날개의 박동을 늦추고 곤충 날개에서 발생하는 소용돌이를 보다 쉽게 보고 [30]이해할 수 있도록 하기 위해 실제 크기보다 100배나 큰 광유와 날개가 어떻게 양력을 생산하는지를 이해하기 위해 고안된 대형 탱크를 사용하여 수행되었습니다.

선풍기 테스트

특정 압력에서 팬의 공기 움직임을 정밀하게 측정하기 위해 풍동 시험도 수행됩니다.측정 시 환경 상황을 파악하고, 이후 기밀을 수정하여 데이터의 표준화를 보장합니다.

측정 방법에는 완전한 팬 또는 유압 설비의 임펠러 두 가지가 있습니다.두 개의 측정 튜브를 사용하면 공기량(< 30,0003 m/h)과 공기량(< 60,0003 m/h)을 측정할 수 있습니다.팬의 Q/h 곡선을 파악하는 것이 주요 목표 중 하나입니다.이 곡선을 결정하기 위해(그리고 다른 매개 변수를 정의하기 위해) 공기 기술, 기계 및 전기 기술 데이터를 측정합니다.

에어 테크니컬:

  • 정압차(Pa)
  • 이동공기량(m3/h)
  • 평균 공기속도(m/s)
  • 특정효율(W3/1000m/h)
  • 효율성.

전기 기술:

  • 장력(V)
  • 현재( A)
  • Cos φ
  • 허용 전원(W) 팬/임펠러
  • 분당 회전수(RPM)

측정은 팬 또는 팬이 사용되는 애플리케이션에서 이루어질 수 있습니다.

풍력기술시험

풍력 공학에서 풍동 시험은 주변의 [31]속도와 구조물에 가해지는 힘 또는 압력을 측정하는 데 사용됩니다.특수화된 대기경계층 풍동은 매우 높은 건물, 특이하거나 복잡한 형태의 건물(포물선 또는 쌍곡선 형태의 높은 건물 등), 케이블 현수교 또는 사장교를 분석합니다.이들은 구조물에 작용하는 풍속 및 난류 프로파일을 정확하게 표현하기 위해 긴 상승 구간을 특징으로 합니다.풍동 시험은 고층 건물의 동적 해석 및 제어에 필요한 설계 압력 측정을 제공합니다.

참고 항목

참고문헌

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    • 1872년, 풍동이 항공학회에 시연되었습니다.참조: 1872년 영국항공학회 제7차 연례보고서, 페이지 6-12.
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추가열람

  • 보석 B.발로우, 윌리엄 H. 레이 주니어, 앨런 포프: 저속 풍동 시험 (3차 판)ISBN 978-0-471-55774-6

외부 링크

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