በንፋስ ቱናል ውስጥ የፍሰት እይታ፡ አየርን በማየት በትክክል ምን እንማራለን
ጭስ፣ ተፍትስ (tufts)፣ የዘይት ፊልም እና PIV በንፋስ ቱናል ውስጥ መለያየትን፣ ቮርቴክሶችን እና የዌክ አወቃቀርን እንዴት እንደሚያሳዩ፣ እና አንድ ፋሲሊቲ እነሱን ለመደገፍ የሚያስፈልገው የኦፕቲካል መዳረሻ።
ሚዛን (balance) ቁጥር ይሰጥዎታል። የፕሬዠር ታፕ (pressure tap) በአንድ ነጥብ ላይ ቁጥር ይሰጥዎታል። ሁለቱም ግን ቁጥሩ ለምን ያ እንደሆነ አይነግሩዎትም።
የየንፋስ ቱናል የፍሰት እይታ (wind tunnel flow visualization) ስራ ይህ ነው፡ የማይታየውን አየር ወደሚታይ ነገር በመቀ የር፣ የዲዛይን ውሳኔ ግምት ከመሆን እንዲያቆም ያደርጋል። በዘመናዊ ፕሮግራም ውስጥ ከCFD በታች ሳይሆን ከጎኑ ይቀመጣል — ሲሙሌሽን ሞዴልዎ ምን እንደሚያምን ይነግርዎታል፣ እይታ ደግሞ አየሩ በሃርድዌርዎ ላይ በትክክል ምን እንዳደረገ ይነግርዎታል።
እያንዳንዱ ቴክኒክ ምን እንደሚያሳይ፣ በፋሲሊቲ ዲዛይን ላይ ምን ያህል ወጪ እንደሚያስወጣ፣ እና ምስሎቹን በተሳሳተ መንገድ ከማንበብ እንዴት መቆጠብ እንደሚቻል እነሆ።
1. እይታ (Visualization) የሚመልሳቸው አራት ጥያቄዎች
ከሞላ ጎደል እያንዳንዱ የእይታ ዘመቻ ከአራቱ ነገሮች አንዱን ይጠይቃል።
ፍሰቱ ተያይዟል (attached)? በሊዲንግ ኤጅ (leading edge) ላይ ያለ ለስላሳ እና የተያያዘ ፍሰት የዲዛይኑን አላማ ያረጋግጣል። ትስስርን (attachment) ቀድሞ ማጣት ማለት የተቀረው የአፈጻጸም ዳታዎ እርስዎ ከሳሉት የተለየ አየር-ዳይናሚክ (aerodynamic) አካል ላይ ተለክቷል ማለት ነው።
የት ላይ ይለያያል (separate)፣ እና መልሶ ይያያዛል (reattach)? የመለያያ ቦታ በአይሮዳይናሚክስ ውስጥ በጣም ጠቃሚው የጥራት (qualitative) ውጤት ነው። ከ angle of attack፣ Reynolds number እና የገጽታ ሁኔታ ጋር አብሮ ይንቀሳቀሳል፣ እንዲሁም የፎርስ ዳታ (force data) ብቻውን ሊያብራራ የማይችለውን የድራግ (drag) መጨመር እና የቁጥጥር መዛባቶችን ያብራራል።
ዌክ (wake) ምን እያደረገ ነው? የትሬሊንግ-ኤጅ (Trailing-edge) ቮርቴክሶች (vortices) እና የተያያዙ የዌክ አወቃቀሮች ኢንዲዩስድ ድራግን (induced drag)፣ የዳውንስትሪም (downstream) ጣልቃ ገብነትን እና፣ በባለብዙ-ሮተር (multirotor) አውሮፕላኖች ላይ፣ በአንድ ሮተር እና በሚቀጥለው መካከል ያለውን መስተጋብር ይፈጥራሉ።
የተረጋጋ ነው? የቮርቴክስ ሼዲንግ (Vortex shedding) ፍሪኩዌንሲ (frequency) አለው። ከስትራክቸራል ሞድ (structural mode) ጋር ከተገጣጠመ፣ ምንም አይነት የጊዜ-አማካይ (time-averaged) ልኬት ሊያሳየው የማይችለው የንቀጥቀጥ (ቫይብሬሽን) ችግር አለብዎት ማለት ነው።
2. የቴክኒክ እርከን
ተፍትስ (Tufts) — ከገጽታው ጋር የተያያዙ አጫጭር ክሮች፣ ብዙ ጊዜ በፍሎረሰንት (fluorescent) ሽፋን ያላቸው። በንፋስ ውስጥ እንዳለ ሣር ይንቀሳቀሳሉ እና በማንኛውም ሞዴል፣ በማንኛውም ቱናል ውስጥ ትስስርን፣ መለያየትን እና የስፓንዋይዝ (spanwise) ፍሰትን በቀጥታ ያሳያሉ። በጣም ርካሹ የመግቢያ መንገድ ሲሆኑ፣ ተፍትሶቹ እራሳቸው የሚለኩትን ነገር በትንሹ ይረብሻሉ።
የዘይት ፊልም (Oil film) — ከሙከራው በፊት የሚቀባ ቀለም ያለው ዘይት፤ ፍሰቱ የቆዳ-ፍሪክሽን (skin-friction) መስመሮችን፣ የመለያያ እና የመልሶ-መያያዣ መስመሮችን ወደሚያሳይ የገጽታ ንድፍ (surface pattern) መልሶ ያዘጋጀዋል። ከጠፋ በኋላ ፎቶግራፍ ሊያነሱት የሚችሉትን ፊዚካዊ መዝገብ ይተዋል፣ እና ተፍትስ (tufts) በጣም አደናቃፊ በሚሆኑበት ቦታ ላይ ይሰራልም።
የጭስ እና የስትሪምላይን (streamline) እይታ — በአፕስትሪም (upstream) የሚለቀቅ ጭስ ፍሰቱን በቅርበት ይከተላል እና ከሰውነት ውጭ ያለውን አወቃቀር ያሳያል፡ የሊዲንግ-ኤጅ (leading-edge) ባህሪ፣ የቮርቴክስ ኮሮች (vortex cores)፣ የዌክ (wake) እድገት። ለደካማ የፍሰት ጥራት ይቅርታ የለውም፡ ተርቡለንት (turbulent) በሆነ ቱናል ውስጥ ጭሱ ሞዴሉ ላይ ከመድረሱ በፊት ይበታተናል።
Particle Image Velocimetry (PIV) — የቁጥር (quantitative) እርምጃ። ፍሰቱ በጥቃቅን ጠብታዎች ይዘራል፣ የፓልስድ ሌዘር (pulsed laser) ሉህ አንድን ፕሌን (plane) ያበራል፣ እና የተጣመሩ የካሜራ ምስሎች የቬሎሲቲ ፊልድ (velocity field) ለማምረት ይዛመዳሉ። PIV የጭስን እይታ ባህሪ ከመለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን) ጥብቅነት ጋር በማዋሃድ፣ ከግምቶች ይልቅ ቬክተሮችን (vectors) ያቀርባል። የስቴሪዮ (Stereo) እና የቶሞግራፊክ (tomographic) አይነቶች ወደ ሶስት ክፍሎች እና መጠኖች ያሰፉታል።
ሆት-ዋየር አኒሞሜትሪ (Hot-wire anemometry) — ምንም አይነት ምስል የለውም፣ ነገር ግን ስፔክትራል (spectral) ይዘት አለው፡ የተርቡለንስ ጥንካሬ፣ የሼዲንግ ፍሪኩዌንሲዎች (shedding frequencies)፣ የPIV ፍሬሞች ሊያመልጧቸው የሚችሉትን በጊዜ-የተፈቱ (time-resolved) ዝርዝሮች።
የፕሬዠር ታፕስ (Pressure taps) እና ፕሬዠር-ሴንሲቲቭ (pressure-sensitive) ቀለም — የቁጥር (quantitative) ሎዲንግ (loading)፣ በተወሰኑ ነጥቦች ላይ ወይም እንደ ቀጣይነት ያለው የገጽታ ፊልድ (surface field)።
ሽሊረን (Schlieren) እና ሻዶውግራፍ (shadowgraph) — የዴንሲቲ-ግራዲየንት (density-gradient) ዘዴዎች፣ ኮምፕሬሲቢሊቲ (compressibility) አስፈላጊ ሲሆን እና ሾኮች (shocks) ሲታዩ በጣም አስፈላጊ ናቸው።
ኢንፍራሬድ ተርሞግራፊ (Infrared thermography) — ላሚናር (laminar) እና ተርቡለንት (turbulent) ክልሎች ሙቀትን በተለያየ መንገድ ያስተላልፋሉ፣ ስለዚህ የIR ካሜራ ሞዴሉን ሳይነካ የድንበር ንብርብር (Boundary layer) ሽግግርን (transition) ማግኘት ይችላል።
3. ምን እንደሚጫን መምረጥ
| ቴክኒክ (Technique) | የሚመልሰው (Answers) | የቁጥር (Quantitative) | የቱናል መስፈርቶች (Tunnel requirements) |
|---|---|---|---|
| ተፍትስ (Tufts) | ትስስር (Attachment)፣ መለያየት (separation)፣ የስፓንዋይዝ ፍሰት (spanwise flow) | አይደለም | ከእይታ መዳረሻ (viewing access) ውጭ ምንም |
| የዘይት ፊልም (Oil film) | የገጽታ ፍሰት ቶፖሎጂ (Surface flow topology) | አይደለም | ሞዴሉን ለማጽዳት መዳረሻ፤ የሙከራ ጊዜ (run time) |
| ጭስ (Smoke) | ከሰውነት ውጭ ያለ አወቃቀር፣ ቮርቴክሶች (vortices) | አይደለም | ዝቅተኛ ተርቡለንስ፣ የዘር መግቢያ (seeding port)፣ መብራት፣ ማስወገጃ (extraction) |
| PIV | የቬሎሲቲ ፊልዶች (Velocity fields)፣ ቮርቲሲቲ (vorticity) | አዎ | ኦፕቲካል መዳረሻ (Optical access)፣ የሌዘር ደህንነት፣ የዘር ስርዓት (seeding system)፣ የካሜራ መጫኛዎች |
| ሆት-ዋየር (Hot-wire) | ስፔክትራ (Spectra)፣ የተርቡለንስ ጥንካሬ | አዎ | የትራቨርስ ስርዓት (Traverse system) |
| የፕሬዠር ታፕስ / PSP | የሎዲንግ ስርጭት (Loading distribution) | አዎ | የሞዴል መለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን)፣ ስካነር፣ ለPSP ኦፕቲካል መዳረሻ |
| ሽሊረን (Schlieren) | ሾኮች (Shocks)፣ የዴንሲቲ ግራዲየንቶች (density gradients) | በከፊል | የኦፕቲካል-ጥራት መስኮቶች፣ ረጅም የኦፕቲካል መንገድ |
| IR ተርሞግራፊ | የሽግግር (Transition) ቦታ | በከፊል | IR-አስተላላፊ መስኮት ወይም ክፍት ክፍል |
ንድፉ ግልጽ ነው፡ የጥራት (qualitative) ዘዴዎች ከህንጻው ምንም ማለት ይቻላል አይፈልጉም፣ እና የቁጥር (quantitative) ዘዴዎች በአይሮዳይናሚክ (aerodynamic) ዲዛይን ደረጃ ላይ ውሳኔዎችን ይፈልጋሉ — በትክክለኛ ፕሌኖች (planes) ላይ ያሉ መስኮቶች፣ የአየር ፍሰት (Airflow) የማይረብሽ የዘር መርፌ (seeding injection) ነጥብ፣ የኬብል እና የማቀዝቀዣ መንገዶች፣ የሌዘር ኢንተርሎኮች (laser interlocks)፣ እና በ
[Article not found: improving-aerodynamic-flow-quality-existing-wind-tunnels]ውስጥ የተመዘገበውን የፍሰት ጥራት የማያበላሽ የትራቨርስ መጫኛ (traverse mount)።
ባለቀ ዳክት (duct) ውስጥ የኦፕቲካል መዳረሻን ሬትሮፊት (Retrofit) ማድረግ የሚቻል እና ውድ ነው። እሱን ማቀድ ግን ምንም ወጪ አያስወጣም።
4. ምስሉን በተሳሳተ መንገድ ለማንበብ አምስት መንገዶች
- ባልተረጋጋ ፍሰት ውስጥ የጭስ መስመሮችን እንደ ስትሪምላይን (streamlines) አድርጎ መውሰድ። እነሱ ስትሪክላይን (streaklines) ናቸው። በሼዲንግ ዌክ (shedding wake) ውስጥ፣ ልዩነቱ አካዳሚያዊ ብቻ አይደለም።
- ተፍትስ (tufts) ጣልቃ እንደሚገቡ መርሳት። ከሽግግር (transition) አጠገብ፣ አንድ የተፍትስ ረድፍ የድንበር ንብርብር (Boundary layer) ሊያደናቅፍ እና እርስዎ ሪፖርት የሚያደርጉትን መለያየት (separation) ሊፈጥር ይችላል።
- ዘይት ገጽታውን እንዲለውጥ መፍቀድ። የዘይት ፊልሞች ሻካራነትን ይለውጣሉ እና ሽግግርን (transition) ሊያንቀሳቅሱ ይችላሉ፤ ንድፉ እውነተኛ ነው፣ የሽግግር ነጥቡ ግን ላይሆን ይችላል።
- በአንድ የPIV ፕሌን (plane) ማመን። በሶስት-ልኬት (three-dimensional) የቮርቴክስ ስርዓት ውስጥ የሚያልፍ ፕሌን አንድ ቁራጭ (slice) ነው፣ እና ቁራጮች በመተው (omission) ይዋሻሉ።
- በተሳሳተ የሬይኖልድስ ቁጥር (Reynolds number) ላይ ማየት። የመለያየት (Separation) ባህሪ ለሬይኖልድስ ስሜታዊ (Reynolds-sensitive) ነው። በተሳሳተ ሁኔታ ላይ ያለ ቆንጆ ምስል የሌላ ነገር ቆንጆ ምስል ነው።
5. ወጪውን የሚመልስበት ቦታ
እይታ (Visualization) ድግግሞሾችን (iterations) በመቀነስ በጀቱን ያተርፋል።
በዘመቻው ሁለተኛ ሰዓት ላይ ሊያዩት የሚችሉት መለያየት (separation) በዚያው ሳምንት ፊሌት (fillet) ወይም የቮርቴክስ ጀነሬተር (vortex generator) ይሆናል። ከሶስት የዲዛይን ዑደቶች በኋላ፣ ካልተብራራ የፎርስ ዳታ (force data) የተገኘው ተመሳሳይ ችግር፣ እንደገና ዲዛይን ማድረግን (redesign) ያስወጣል። በUAV እና eVTOL ፕሮግራሞች ላይ፣ የሮተር-ኤርፍሬም (rotor–airframe) መስተጋብር ክላሲክ ጉዳይ ነው፡ ኃይሎቹ (forces) ተስፋ አስቆራጭ ብቻ ይመስላሉ፣ እና አንዱ ሮተር በሌላው ዌክ (wake) ውስጥ እየበረረ መሆኑን ምስሎቹ ብቻ ያብራራሉ።
በተጨማሪም ብዙም ቴክኒካዊ ያልሆነ እና እኩል ዋጋ ያለው ነገር ያደርጋል፡ አይሮዳይናሚክስን (aerodynamics) የኮኤፊሸንት ፕሎቶችን (coefficient plots) ለማያነቡ ሰዎች — ባለሀብቶች፣ የማረጋገጫ ባለስልጣናት፣ የግዥ ኮሚቴዎች — ሊነበብ የሚችል ያደርገዋል። ሊያዩት የሚችሉት ቮርቴክስ (vortex) አንድን ክፍል ሰንጠረዥ በማያደርገው መንገድ ያሳምናል።
6. አብሮ መገንባት
ፋሲሊቲዎ አሁን እየተነደፈ ከሆነ፣ ሶስት ነገሮችን ቀድመው ይወስኑ፡ የትኞቹ ፕሌኖች (planes) ኦፕቲካል መዳረሻ (optical access) እንደሚያስፈልጋቸው፣ PIV በእቅዱ (roadmap) ውስጥ እንዳለ፣ እና ዘር (seeding) የት ወረዳው (circuit) ውስጥ እንደሚገባ። እነዚህ ሶስት ምርጫዎች የመስኮት ፍሬሞችን፣ የግድግዳ ፓነሎችን፣ የሌዘር ራውቲንግን (laser routing) እና የደህንነት ዲዛይንን ይወስናሉ — እነዚህ ሁሉ በስዕል ላይ ርካሽ ሲሆኑ ኮሚሽኒንግ (commissioning) በተደረገለት ቱናል ውስጥ ግን አደናቃፊ ናቸው።
የሙከራ ክፍል (Test section) ዲዛይን የምናደርገው ከእይታ እና መለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን) ጋር ከአይሮዳይናሚክ (aerodynamic) ጽንሰ-ሀሳብ ጀምሮ ታቅዶ ነው፡ የኦፕቲካል-ጥራት መዳረሻ፣ የዘር ውህደት (seeding integration)፣ የትራቨርስ መጫኛዎች እና መብራት፣ በኋላ ላይ ከመጨመር ይልቅ ከመለኪያ ፕሮግራሙ ጋር የተጣጣሙ ናቸው። ተዛማጅ ንባብ፡ የእኛ
[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison]እና
[Article not found: closed-circuit-vs-open-circuit-wind-tunnels-for-research]።
ምን ማየት እንዳለቦት ይንገሩን ፣ እና እኛ በዙሪያው ያለውን ክፍል እንገልጻለን።
ምንጮች እና ማስታወሻዎች
- የጭስ፣ የተፍት (tuft) እና የዘይት-ፍሰት ዘዴዎች እና ተግባራዊ አያያዛቸው አጠቃላይ እይታ፡ Visualization Techniques in a Wind Tunnel, Calspan።
- PIV በጥራት (qualitative) እይታ እና በቁጥር (quantitative) መለኪያ መሳሪያዎች (ኢንስትሩመንቴሽን)፣ በፓልስድ ሌዘር (pulsed laser) ሉሆች እና በዘር (seeding) መካከል እንደ ድልድይ፡ Quantitative Flow Visualization, TU Delft።
- በንፋስ ቱናል ውስጥ ኦፕቲካል ያልሆኑ የእይታ ዘዴዎች፣ ተፍትስ (tufts) እና የገጽታ ቴክኒኮችን ጨምሮ፡ "Flow Visualisation Techniques in Wind Tunnels, Part I — Non-optical Methods"።
- የፋሲሊቲ ዲዛይን መመሪያ (ኦፕቲካል መዳረሻ፣ ዘር (seeding)፣ የትራቨርስ ውህደት) የTunnelTech የምህንድስና ልምድ ነው።
- በዚህ ጽሑፍ ውስጥ ያሉት ፎቶግራፎች ከTunnelTech ፕሮጀክቶች የተወሰዱ ናቸው፤ የፍሰት ምስሎቹ በራሳችን የኤርፎይል (airfoil) ፕሮፋይሎች ላይ የጭስ እይታን ያሳያሉ።