مهندسی تونل باد شیبدار: طراحی جریان هوا در زاویه ۳۰ تا ۴۵ درجه
نحوه کار یک تونل باد شیبدار: تجزیه جریان، طول منطقه کاری، پرههای راهنما در زوایای غیراستاندارد، سیستمهای ایمنی و عوامل تعیینکننده هزینه.
برای سی سال، پرواز در فضای سرپوشیده تنها یک معنی داشت: یک ستون هوای عمودی که بدن را در برابر جاذبه نگه میدارد. شما میتوانستید به زیبایی سقوط کنید، اما نمیتوانستید به جایی بروید.
تونل باد شیبدار این موضوع را تغییر میدهد. با شیب دادن به جریان هوا، همان ترفند آیرودینامیکی که بدن را در سقوط آزاد نگه میدارد، گلاید (سُر خوردن) رو به جلو را نیز بازتولید میکند — که این دقیقاً تمام هدف استفاده از وینگسوت است. این جدیدترین شاخه از این صنعت است، تنها تعداد انگشتشماری از این تأسیسات در سراسر جهان وجود دارد و بیشتر سؤالات مهندسی آن هنوز واقعاً بیپاسخ ماندهاند.
این مقاله به بررسی همین سؤالات میپردازد.
۱. فیزیک: یک بردار، دو وظیفه
در یک تونل باد عمودی، نیروی پسا (درگ) با وزن در تعادل است و سرعت افقی پروازکننده صفر است. اگر جریان را با یک زاویه شیب دهید، به دو مؤلفه تجزیه میشود که کارهای متفاوتی انجام میدهند:
- مؤلفه عمودی همچنان وزن پروازکننده را تحمل میکند، دقیقاً مانند قبل؛
- مؤلفه افقی باد نسبی برای پرواز رو به جلو را تأمین میکند، بنابراین خلبان وینگسوت میتواند به جای سقوط صرف، حالت گلاید خود را حفظ کند.
شیب مورد نیاز دلخواه نیست — بلکه از عملکرد گلاید وینگسوت پیروی میکند. لباسی که با نسبت گلاید تقریباً ۲:۱ تا ۳:۱ پرواز میکند، به شیب جریانی متناسب با این نسبت نیاز دارد تا پروازکننده بتواند در یک وضعیت بدنی پایدار و طبیعی قرار بگیرد. این بدان معناست که یک تونل شیبدار صرفاً «یک تونل عمودی روی یک سطح شیبدار» نیست: زاویه یک پارامتر طراحی است که به رشتهای که به آن خدمات میدهد گره خورده است، و طراحیهای با زاویه قابل تنظیم دقیقاً به این دلیل وجود دارند که لباسها و سطوح مهارتی مختلف، شرایط متفاوتی را میطلبند.
برای مقایسه، اولین تأسیسات شیبدار جهان — Indoor Wingsuit Stockholm متعلق به Inclined Labs در بروما — دارای یک محفظه پرواز به عرض 16.5 ft و طول 33 ft است که پروازکنندگان معمولاً در سرعتهای 90–130 km/h در آن فعالیت میکنند و هم سرعت و هم شیب آن قابل تنظیم است. اولین پرواز وینگسوت سرپوشیده در آنجا در آوریل ۲۰۱۶ در یک محفظه پرواز نمونه اولیه با اندازه واقعی انجام شد و این تأسیسات در سپتامبر ۲۰۱۷ به روی مشتریان بازگشایی گردید.
۲. چرا این کار از یک تونل باد عمودی دشوارتر است
منطقه کاری باید طولانی باشد. یک گلاید به فضای کافی در امتداد مسیر پرواز نیاز دارد، نه فقط در بالای سر پروازکننده. همین یک الزام، ساختار ساختمان را تعیین میکند: محفظه پرواز به جای یک ستون فشرده، به یک حجم شیبدار طولانی تبدیل میشود و هر متر از آن باید کیفیت جریان هوا را حفظ کند.
لایههای مرزی دیواره در امتداد این طول رشد میکنند. در یک حجم تست طولانی، با ضخیم شدن لایه مرزی، مساحت مؤثر جریان کاهش مییابد و اگر داکت منشوری باشد، جریان آزاد شتاب میگیرد. دستیابی به سرعت یکنواخت از ورودی تا خروجی معمولاً به معنای شکلدهی عمدی مقطع در امتداد منطقه کاری است.
پرههای راهنما در زوایایی کار میکنند که هرگز برای آنها جدولبندی نشدهاند. مدارهای تونل باد عمودی از زوایای ۹۰ درجه کاملاً شناختهشده با شبکهای از پرههای راهنما ساخته میشوند که ضرایب افت آنها مشخص است. با شیب دادن به مدار، زوایای گوشهها تغییر میکند، جریان به شکل متفاوتی به شبکه پرهها میرسد و وتر پره، فاصلهگذاری و انحنای آن همگی باید به جای کپی شدن، دوباره محاسبه و حل شوند. اگر این کار اشتباه انجام شود، دو بار تاوان آن را میپردازید: یکی در افت فشار و در نتیجه مصرف دائمی توان فن، و دیگری در عدم یکنواختی جریان که پروازکننده مستقیماً آن را حس میکند.
سیستمهای ایمنی در بیش از یک صفحه وجود دارند. در یک تونل عمودی، تور ایمنی در پایین قرار دارد و حالت شکست پروازکننده یک فرود کنترلشده است. در یک محفظه پرواز شیبدار، پروازکنندهای که نیروی برا (لیفت) را از دست میدهد، هم در امتداد شیب و هم به سمت پایین حرکت میکند — بنابراین سیستمهای گیرانداز، تور ایمنی و دسترسی باید در هر دو انتهای منطقه کاری و در امتداد طول آن تعبیه و حل شوند.
ورود و خروج یک مسئله طراحی است، نه صرفاً یک در. وارد کردن یک خلبان با تجهیزات وینگسوت به داخل یک جریان شیبدار در حال حرکت و خارج کردن دوباره او، بدون متوقف کردن تونل برای هر پروازکننده، توان عملیاتی تجاری کل تأسیسات را تعریف میکند.
۳. تصمیماتی که به پروژه شکل میدهند
- شیب ثابت یا قابل تنظیم. هندسه قابل تنظیم، بازار هدف را گسترش میدهد — لباسهای مختلف، شرایط مبتدی و متخصص، رشتههای غیر وینگسوت — اما پیچیدگی مکانیکی، چالشهای آببندی و هزینه را نیز افزایش میدهد.
- سطح مقطع محفظه پرواز. حداکثر طول بال در حین پرواز و تعداد پروازکنندگان همزمان را تعیین میکند و مستقیماً بر توان فن تأثیر میگذارد.
- محدوده سرعت و پایداری. محدوده کنترلشده از حداکثر سرعت اهمیت بیشتری دارد: مربیگری در سرعتهای پایین انجام میشود و تغییرات پلهای باید نرم و روان باشند.
- معماری مدار. مدار بسته برای کنترل انرژی و دما، همراه با تمام مسائل مربوط به پرههای راهنما که در بالا ذکر شد؛ مدار باز سادهتر است اما در این ساعات کارکرد به ندرت اقتصادی است.
- سیستم خنککاری. انرژی فن در هوا به گرما تبدیل میشود. استراتژیها همانند جاهای دیگر است — تهویه غیرفعال در جایی که آب و هوا اجازه میدهد، و مبدل حرارتی فعال در جایی که این امکان وجود ندارد — و سبکسنگین کردن این موارد در
آمده است.
- ابزار دقیق برای مربیگری. پوشش دوربین، تلهمتری و بازبینی ویدیویی در اینجا امکانات اضافی نیستند: در رشتهای به این جوانی، محصول آموزشی بخش بزرگی از درآمد را تشکیل میدهد.
۴. تأثیر آن بر ساختمان
یک تونل شیبدار در میان سه معماری موجود، بیشترین الزامات را برای مکانیابی دارد، زیرا هم به طول و هم به ارتفاع نیاز دارد — عمق ساختاری یک تونل باد عمودی ترکیبشده با مساحت اشغالی یک تونل افقی. این موضوع دو پیامد به دنبال دارد.
اول، انتخاب مکان پیش از طراحی انجام میشود . ارتفاع سقف، دهانه، ظرفیت فونداسیون و توان الکتریکی در دسترس، پیش از شروع هرگونه کار آیرودینامیکی، ابعاد محفظه پرواز قابل دستیابی را محدود میکنند.
دوم، ساختمانهای صنعتی موجود یک گزینه واقعی هستند . تأسیسات استکهلم در سازهای در بروما قرار دارد که در ابتدا برای تحقیقات هوانوردی نظامی در دهههای ۱۹۳۰-۱۹۴۰ ساخته شده بود — یادآوری این نکته که سالنهای قدیمی بزرگ با ارتفاع زیاد و کفهای مستحکم دقیقاً همان داراییهایی هستند که این صنعت میتواند دوباره از آنها استفاده کند. مسیر بازتجهیز (retrofit) سبکسنگین کردنهای خاص خود را دارد که در
[Article not found: modernizing-old-wind-tunnels-retrofit-vs-new-build]به آنها میپردازیم.
۵. هزینهها واقعاً در کجا متمرکز هستند
به طور کلی، عوامل محرک هزینه همانند یک تونل باد عمودی بزرگ هستند — توان محرکه، داکتکشی، سازه، سیستمهای ایمنی — با دو مورد اضافی که مختص حالت شیبدار است: منطقه کاری طولانیتر (داکت بیشتر، سازه بیشتر، مساحت بیشتر برای حفظ یکنواختی) و مهندسی هندسه و پرههای راهنما که نمیتوان آنها را از یک خط تولید موجود به ارث برد.
معنای تجاری این موضوع این است: تونلهای شیبدار به مهندسی سفارشی پاداش میدهند و تفکر کاتالوگی را مجازات میکنند. هیچ مدل استانداردی برای بزرگ یا کوچک کردن مقیاس وجود ندارد، زیرا هنوز استانداردی شکل نگرفته است. این یک ریسک برای خریداری است که از روز اول قیمت ثابتی میخواهد، و یک مزیت برای کسی است که خواهان تأسیساتی متمایز از هر جاذبه دیگری در بازار است.
برای درک جایگاه یک تأسیسات شیبدار در مقایسه با سایر معماریها، به
[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison]ما مراجعه کنید.
۶. آنچه پیش از قیمتدهی میپرسیم
پنج ورودی، مفهوم کلی را تعیین میکنند: فضای در دسترس ساختمان، پروفایل هدف پروازکنندگان (مبتدیان، خلبانان ورزشی وینگسوت، آموزش حرفهای یا نظامی)، اینکه آیا شیب باید قابل تنظیم باشد، تعداد پروازکنندگان همزمان، و توان عملیاتی هدف در روز. هر چیز دیگری — توان، ابعاد محفظه پرواز، طراحی پرههای راهنما، استراتژی سیستم خنککاری — از این موارد پیروی میکند.
ما سیستمهای سفارشی تونل باد، از جمله پیکربندیهای شیبدار را طراحی، تولید، نصب و راهاندازی و تحویل فنی (کمیسیونینگ) میکنیم، با مسئولیت واحد از مرحله مفهوم تا تحویل. مشخصات ساختمان و پروفایل پروازکنندگان خود را برای ما ارسال کنید و ما با یک طرح مفهومی و برآورد توان به شما پاسخ خواهیم داد. مطالعه مرتبط: مقالات ما در مورد
[Article not found: inclined-wind-tunnel-building-requirements]و
[Article not found: indoor-wingsuit-facility-economics].
منابع و یادداشتها
- دادههای تأسیسات مرجع — محفظه پرواز به عرض 16.5 ft و طول 33 ft، سرعتهای معمول پرواز 90–130 km/h، سرعت و شیب قابل تنظیم، اولین پرواز وینگسوت سرپوشیده در آوریل ۲۰۱۶، بازگشایی برای مشتریان در سپتامبر ۲۰۱۷، ساختمان بروما که در ابتدا برای تحقیق و توسعه هوانوردی نظامی در دهههای ۱۹۳۰-۱۹۴۰ ساخته شده بود: Indoor Wingsuit Flying Stockholm, Indoor Skydiving Source، Indoor Wingsuit Flying Just Became a Reality، Inclined Labs.
- نسبتهای گلاید وینگسوت در حدود ۲:۱ تا ۳:۱، محدوده عملکردی است که معمولاً برای لباسهای مدرن ذکر میشود و بسته به لباس، خلبان و تکنیک بسیار متفاوت است؛ این اعداد را به عنوان یک شاخص در نظر بگیرید، نه یک مشخصه طراحی.
- مباحث مهندسی (طول منطقه کاری، رشد لایه مرزی، طراحی مجدد پرههای راهنما در زوایای غیر استاندارد گوشهها، سیستمهای ایمنی چند صفحهای) بر اساس رویههای مهندسی TunnelTech است.
- پیشنویسهای داخلی قبلی به مؤلفه افقی 100–160 km/h و طول منطقه کاری ۸ تا ۱۵ متر اشاره داشتند. تأسیسات مرجع منتشر شده در سرعت 90–130 km/h در یک محفظه پرواز 10 m کار میکند؛ از ارقام تأیید شده استفاده کنید.