Podstawy aerodynamiki pojazdów - cz. 4: Budowa i rodzaje tuneli aerodynamicznych
Współczesne projektowanie samochodów to proces bardzo złożony. Jedną z ważnych składowych są prace nad aerodynamiką pojazdu. Oprócz symulacji komputerowych konieczne są także symulacje rzeczywistych warunków jazdy. Do takich badań niezbędne są zaawansowane centra pomiarowe wyposażone w tunele aerodynamiczne. Jak są zbudowane takie tunele i w jaki sposób prowadzi się w nich badania?
Tunele aerodynamiczne buduje się w celu bezpiecznego, szybkiego i wygodnego dokonywania badań obiektów, które poruszają się w układzie odniesienia względem powietrza. Dzięki temu że w tunelu aerodynamicznym auto jest nieruchome, można wykonać znacznie więcej badań niż w warunkach rzeczywistych.
Tunele aerodynamiczne swoje początki zawdzięczają lotnictwu. Jednak wraz ze wzrostem znaczenia aerodynamiki w latach 70. były coraz częściej wykorzystywane do badań także przy projektowaniu samochodów. Pierwsze zaprojektowane przy dużej pomocy badań aerodynamicznych konstrukcje to modele takie jak Ford Sierra czy Fiat Uno.
W najprostszym rozumieniu tunelem aerodynamicznym może być spora rura, której powietrze na jednym końcu będzie zasysane i doprowadzane do wentylatora na początku. Wentylator powoduje przepływ powietrza o odpowiedniej prędkości.
Taki typ tunelu jest tunelem o obiegu otwartym. Problemem jest jednak ujednolicenie przepływu powietrza w takim tunelu. Dlatego na wlocie instalowane są różne siatki i inne urządzenia to zapewniające.
Największa prędkość przepływu powietrza następuje w miejscu umieszczenia samochodu. Wynika to bezpośrednio z równań mechaniki płynów. W tym miejscu przekrój tunelu jest zmniejszony o pole powierzchni czołowej samochodu, stąd wymóg zachowania ciągłości przepływu, według którego iloczyn powierzchni przepływu i prędkości jest stały i powoduje miejscowe zwiększenie tej prędkości.
Tak w przybliżeniu wygląda tunel otwarty. Istnieje również typ tunelu zamkniętego. Charakteryzuje się połączeniem wylotu wentylatora z wlotem do tunelu. Podobnie jest z przestrzenią pomiarową. Może ona być otwarta lub zamknięta.
W przypadku tunelu otwartego jego budowa jest znacznie tańsza, ale kosztowniejsza jest jego eksploatacja. Związane jest to z tym, że wentylator musi rozpędzić powietrze w tunelu, a następnie wyrzucić je z przestrzeni pomiarowej przy utracie całej jego energii kinetycznej. Istnieją jednak ważne zalety takiego tunelu – parametry wlotowe i wylotowe są stałe, a temperatura nie zmienia się podczas długich pomiarów.
Problemem może być jednak zwiększony hałas oraz to, że trudno zbudować taki tunel o dużych rozmiarach. Dlatego większe tunele to zazwyczaj te o układzie zamkniętym. Wtedy po osiągnięciu zadanej prędkości badania przepływu powietrza energia zużywana jest jedynie na pokonanie oporów ruchu powietrza po zamkniętej pętli układu.
Tunele o zamkniętym obiegu mają jednak swoje wady. Problemem jest nagromadzenie się dymu służącego do wizualizacji przepływu strug powietrza. Istotne są także samoistne zmiany warunków podczas długich badań. Spowodowane jest to wzrostem temperatury powietrza na skutek sił tarcia o ściany tunelu. Dlatego w takich tunelach często stosowane są wymienniki powietrza doprowadzające świeże powietrze z zewnątrz.
W centrach badawczych dominują tunele z otwartą przestrzenią pomiarową. Można w nich przeprowadzać badania większych modeli i występuje mniejszy efekt oddziaływania ścian. Co ważne, jest wtedy możliwość przebywania poza strefą pomiarową, ale w bliskim otoczeniu modelu. Łatwiejsza jest także wizualizacja dymowa. Niestety, rozproszenie strugi powietrza na granicach strefy pomiarowej powoduje zwiększone zużycie energii.
Ciekawym rozwiązaniem są tunele ze ścianami częściowo przepuszczalnymi. Powietrze w jednym miejscu może być wypchnięte poza tunel przez szczeliny, a w drugim wtłoczone do wewnątrz. Problemem przy budowaniu tuneli aerodynamicznych jest ich wielkość. Im większy, tym droższa jego budowa oraz koszty utrzymania. Dlatego często stosowane są mniejsze tunele, a badane są modele w skali np. 1:2. Na badania prawdziwych pojazdów mogą pozwolić sobie głównie wielkie koncerny.
Badania aut w całości stosuje się też przy konstrukcjach wyczynowych, jak przy projektowaniu aerodynamiki bolidu Formuły 1. Im większe prędkości badawcze, tym dokładniejsze powinny być warunki. Tym bardziej że w królowej sportów motorowych nawet najmniejsze różnice mogą zadecydować o zwycięstwie.
To dlatego największe teamy tak wiele inwestują w centra badawcze z tunelami aerodynamicznymi. Podczas prac nad bolidem takie tunele pracują w sposób ciągły przez 24 godziny na dobę. Ważna jest więc także ich niezawodność.
Przy projektowaniu konstrukcji rozwijających wysokie prędkości podczas pomiarów często stosuje się metodę podwyższania ciśnienia wewnątrz tunelu, co sztucznie zwiększa prędkość pomiarową. Więcej o tunelach aerodynamicznych przeczytacie w kolejnej części artykułu.
