Horizontalūs, vertikalūs ir pasvirieji vėjo tuneliai: kaip pasirinkti tinkamą tipą

Kiekvienas vėjo tunelio projektas prasideda nuo iš pažiūros trivialaus klausimo, kuris nulemia visus tolesnius sprendimus: kuria kryptimi juda oras?

Atsakius teisingai, pastatas, elektros jungtys, matavimo įranga ir verslo modelis susilygiuoja siekiant vieno aiškaus inžinerinio tikslo. Suklydus, gausite objektą, kuris techniškai veikia, bet komerciškai nepasiteisina – mokslinių tyrimų tunelį, kuris negali priimti mokių klientų, arba skrydžio kamerą, kurioje neįmanoma atlikti publikuotinų matavimų.

Trys pagrindiniai šiandien naudojami vėjo tunelių tipai – horizontalūs, vertikalūs ir pasvirieji – nėra trys to paties produkto dydžiai. Jie pritaikyti skirtingiems fizikos dėsniams, skirtingiems klientams ir skirtingiems pajamų modeliams. Štai kaip nustatyti, kurio iš jų iš tikrųjų reikia jūsų projektui.

---

1. Ką iš tikrųjų nulemia srauto kryptis

Srauto kryptis nulemia, ką galite į jį patalpinti.

Horizontaliame tunelyje bandomasis objektas laikomas vietoje naudojant laikiklį, atramą ar jėgos svarstykles. Gravitacija veikia skersai srauto, o ne prieš jį. Tunelio užduotis – tiekti švarų, tolygų oro srautą virš fiksuoto modelio ir leisti matavimo įrangai fiksuoti rezultatus.

Vertikaliame tunelyje objekto nelaiko niekas. Jį neša oras. Oro pasipriešinimas atsveria svorį, bandomasis objektas yra žmogaus kūnas, o visas kontūras skirtas išlaikyti stabilų oro stulpą, kurio greitis svyruoja vos keliais procentais nuo tikslinio, kol žmogus juda jo viduje.

Pasvirajame tunelyje srautas yra pakreiptas taip, kad vienu metu būtų imituojama keliamoji jėga ir judėjimas pirmyn – vertikalioji dedamoji išlaiko svorį, o horizontalioji atkuria sklendimą.

Šis vienintelis pasirinkimas nulemia viską: kameros geometriją, saugos sistemas, ventiliatorių galią, pastato aukštį, draudimą, personalą ir tai, už ką galite imti mokestį.

---

2. Horizontalūs vėjo tuneliai: mokslinių tyrimų „darbiniai arkliai“

Horizontalus tunelis varo orą lygiagrečiai žemei per nustatytą seką: srauto nuraminimo kamerą su koriniu srauto tiesintuvu (honeycomb) ir tinkleliais (screens), susiaurėjimo sekciją (kontrakciją), kuri pagreitina ir išlygina srautą, bandymo sekciją, difuzorių, kuris atkuria slėgį, ir ventiliatorių.

Dominuoja dvi architektūros. Atviro kontūro (Eifelio) tuneliai įtraukia orą iš patalpos, perpučia jį vieną kartą ir išmeta – jie kompaktiški, pigesni statyti, bet jautrūs patalpos sąlygoms. Uždaro kontūro (Gėtingeno) tuneliai recirkuliuoja orą uždaru ciklu, naudodami srauto kreipiamąsias mentes posūkiuose, kas užtikrina srauto kokybę, temperatūros kontrolę ir drastišką eksploatacinių išlaidų sumažėjimą. Šį kompromisą išsamiai aptarėme straipsnyje

[Article not found: closed-circuit-vs-open-circuit-wind-tunnels-for-research]

.

Horizontalūs tuneliai pasižymi plačiausiu pritaikymo spektru iš visų tipų:

• Automobilių ir automobilių sporto pramonė – oro pasipriešinimas, prispaudžiamoji jėga, aušinimo srautas ir aeroakustika, paprastai esant realiems kelių greičiams iki 250–300 km/h, su judančia kelio danga po transporto priemone.
• Civilinė ir statybų inžinerija – ribinio sluoksnio vėjo tuneliai (BLWT) su ilgu priešsroviniu ruožu ir šiurkštumo elementais, atkuriančiais atmosferos vėjo profilį virš sumažintų bokštų, tiltų ir stadionų stogų modelių.
• Metrologija ir kalibravimas – maži, itin mažos turbulencijos tuneliai, naudojami anemometrams ir srauto jutikliams kalibruoti pagal ISO 17025 ir IEC 61400-12-1 standartus.
• Aviacija ir bepiločių orlaivių (UAV) kūrimas – sumažinti modeliai ant jėgos svarstyklių arba nedideli pilno dydžio orlaivių korpusai, testuojami su veikiančiais propeleriais.

Tai, ką klientas čia iš tikrųjų perka, yra matavimai: jėgos ir momentai iš svarstyklių, paviršiaus slėgiai, akustiniai žemėlapiai, srauto vizualizacija. Tunelis yra instrumentas ir vertinamas kaip instrumentas – pagal turbulencijos intensyvumą, srauto tolygumą, pakartojamumą ir paklaidą.

---

3. Vertikalūs vėjo tuneliai: laisvas žmogaus kūno skrydis

Vertikalus vėjo tunelis daro tai, ko negali joks horizontalus tunelis: jis išlaiko žmogų stabiliame laisvame skrydyje. Oras juda aukštyn per skrydžio kamerą greičiu, atitinkančiu skraidančiojo ribinį greitį – maždaug 180–200 km/h pradedančiajam, atliekančiam skrydį ant pilvo (belly fly), ir gerokai daugiau atliekant laisvąjį stilių (freestyle) galva žemyn (head-down). Profesionalios kameros suprojektuotos su didele greičio atsarga.

Šiuolaikiniai komerciniai dizainai yra uždaro kontūro (recirkuliacinės) dvigubo ciklo sistemos. Oras palieka kamerą, yra nukreipiamas per posūkio mentes, varomas ašinių ventiliatorių ir per susiaurėjimo sekciją grąžinamas atgal į kamerą. Pavaros galia smarkiai auga priklausomai nuo kameros skersmens: kompaktiški modeliai naudoja apie 750 kW ventiliatorių galią, standartiniai komerciniai įrenginiai – apie 1 000 kW, profesionalūs – iki maždaug 1 260 kW, o kai kurie konkuruojantys 14 pėdų recirkuliaciniai tuneliai reikalauja net iki 1 600 kW.

Pasekmė, kurią dažniausiai neįvertina pradedantieji investuotojai, yra ta, kad pastatas yra tunelio dalis. Uždaro kontūro vertikalus vėjo tunelis yra daugiaaukštis statinys su specifiniais apkrovų perdavimo keliais, vibracijos izoliacija ir akustine apdaila. Mūsų komercinio vertikalaus tunelio kapitalinių išlaidų (CAPEX) paskirstyme specializuoti betonavimo ir konstrukciniai statybos darbai sudaro 30–35 % visų investicijų, kurios paprastai siekia nuo 4,5 mln. iki 12 mln. JAV dolerių ir daugiau – žr.

[Article not found: how-much-does-it-cost-to-build-a-vertical-wind-tunnel]

.

Klientų bazė yra platesnė, nei sufleruoja terminas „skraidymas vėjo tunelyje“ (indoor skydiving). Sportas ir turizmas palaiko komercinį modelį, tačiau toje pačioje kameroje treniruojasi karinės laisvojo kritimo komandos, policijos padaliniai ir gelbėtojų ekipažai – šį pritaikymo atvejį aptariame straipsnyje

[Article not found: custom-vertical-wind-tunnels-military-freefall-halo-haho]

.

---

4. Pasvirieji vėjo tuneliai: naujausia atšaka

Pasvirasis tunelis pakreipia srautą, paprastai nuo 30° iki 45° kampu. Fizika čia yra paprastas jėgų išskaidymas, ir tai visiškai pakeičia patirtį.

Vertikalioji dedamoji vis dar atsveria skraidančiojo svorį, lygiai taip pat, kaip ir vertikaliame tunelyje. Horizontalioji dedamoji – etaloniniame objekte siekianti apie 90–130 km/h – atkuria sklendimą pirmyn. Pirmą kartą „wingsuit“ (sparnuotojo kostiumo) pilotas gali išlaikyti stabilų sklendimą uždaroje patalpoje, o ne tik kristi.

Inžineriniu požiūriu tai yra sudėtingiausias iš visų trijų tipų. Darbinė zona turi būti ilga, nes sklendimui reikia erdvės: etaloniniame objekte veikia maždaug 10 m ilgio kamera. Srauto kreipiamosios mentės posūkiuose veikia nestandartiniais kampais, todėl menčių geometrijos negalima tiesiog perkelti iš vertikalaus dizaino iš naujo neapskaičiavus slėgio nuostolių. Saugos tinklai ir pakabos sistemos reikalingos daugiau nei vienoje plokštumoje. Pasaulyje yra vos keletas tokio tipo objektų, ir būtent todėl projektavimo klausimai vis dar atviri – juos išsamiau nagrinėjame

[Article not found: inclined-wind-tunnel-engineering-design]

.

Pirkėjai yra kurortų ir pramogų kompleksų vystytojai, ieškantys išties naujos atrakcijos, bei specializuoti mokymų centrai, kuriems reikia tobulinti skraidymo parašiutu ir „wingsuit“ kostiumu įgūdžius, neeikvojant orlaivių skrydžio valandų.

---

5. Tiesioginis palyginimas

---

6. Penki klausimai, nulemiantys tipą

1. Kas fiziškai patalpinama į srautą? Modelis, pilnas orlaivio korpusas ar žmogus. Vien tai daugumoje projektų atmeta du iš trijų variantų.

2. Ar jums reikia skaičių, ar patirties? Jei rezultatas yra koeficientas ataskaitoje, jums reikia matavimo įrangos, pakartojamumo ir horizontalios bandymo sekcijos. Jei rezultatas yra besišypsantis išeinantis žmogus, jums reikia skrydžio kameros.

3. Ką leidžia turima vieta? Horizontalūs tuneliai yra ilgi; vertikalūs tuneliai yra aukšti; pasvirieji tuneliai yra ir ilgi, ir aukšti. Lubų aukštis, pamatų keliamoji galia ir turima elektros galia apriboja pasirinkimą anksčiau ir griežčiau nei biudžetas.

4. Kas moka ir už kokį vienetą? Bandymo valanda, skrydžio minutė, treniruotės vieta ar mokslinių tyrimų dotacija. Kiekvienas iš jų reiškia skirtingą naudojimo profilį, o naudojimas lemia energijos sąnaudas labiau nei instaliuota galia.

5. Ką reikia išmatuoti? Jėgos svarstyklės, slėgio jutikliai, PIV (dalelių vaizdo greičio matavimas) ar akustinės matricos kelia savus reikalavimus sekcijos geometrijai ir prieigai. Matavimo įrangos modernizavimas (retrofit) kameroje, kuri tam niekada nebuvo pritaikyta, yra brangiausias būdas tai sužinoti.

---

7. Kur iš tikrųjų išleidžiami pinigai

Du sprendimai dominuoja viso gyvavimo ciklo išlaidose, ir nė vienas iš jų nėra pats tunelio tipas.

Kontūras. Uždaro kontūro tunelis pakartotinai naudoja kinetinę energiją, jau esančią cikle, užuot greitinęs patalpos orą iš ramybės būsenos. Esant tokiam pat dydžiui ir oro greičiui, šis skirtumas sudaro maždaug 60–70 % sąskaitos už elektrą. Per kelerius metus tai gali viršyti statybos kainų skirtumą.

Aušinimo strategija. Visa ventiliatorių energija virsta šiluma ore, ir ji turi kažkur dingti. Mechaniniai šaldymo agregatai (čileriai) padidina objekto sąskaitą už elektrą maždaug 20–30 %, o radiatorių šilumokaičiai, sumontuoti ortakyje, sukuria slėgio kritimą, dėl kurio gali būti iššvaistoma iki 30 % ventiliatoriaus galios vien oro pasipriešinimui įveikti. Pasyvus vėdinimas, kur tai leidžia klimatas, sutaupo iki 60 % aušinimo išlaidų – visa aritmetika pateikta straipsnyje

[Article not found: energy-consumption-of-wind-tunnels-how-to-cut-costs]

.

Instaliuota galia yra specifikacija. Energijos sąnaudos priklauso nuo to, kaip iš tikrųjų eksploatuojate objektą – štai kodėl realistiškas naudojimo profilis turi būti aptariamas pirmajame, o ne paskutiniame projektavimo pokalbyje.

---

8. Penkios klaidos, kurias nuolat matome

• Tipo pasirinkimas pagal biudžetą. Biudžetas nulemia dydį, o ne kryptį. Pigi netinkamo tipo vėjo tunelio liekamoji vertė yra nulinė.
• Manymas, kad vertikalus reiškia pramogą. Kai kurios griežčiausios vertikalių tunelių specifikacijos, kurias įgyvendiname, yra skirtos kariuomenės ir policijos mokymams, o ne turistams.
• Statybos darbų neįvertinimas. Komerciniame vertikaliame tunelyje konstrukcija ir betonas sudaro trečdalį biudžeto. Pastato traktavimas kaip „įrangos apvalkalo“ anksti sugriauna finansinį modelį.
• Greičio, kuris niekada nebus naudojamas, pirkimas. Didžiausias greitis lemia ventiliatorių galią, transformatoriaus dydį ir prijungimo prie tinklo išlaidas. Nustatykite jį pagal realų skrydžio ar bandymo profilį, o ne iš konkurento brošiūros.
• Matavimo įrangos palikimas paleidimo ir derinimo etapui. Svarstyklės, traversos ir optinė prieiga turi būti numatytos aerodinaminiame dizaine, o ne prisukamos vėliau.

---

9. Užtikrintas pasirinkimas

Nėra „geriausio“ vėjo tunelio tipo – yra tipas, atitinkantis jūsų sraute esantį objektą, turimą vietą ir pajamas, kurias ketinate gauti. Horizontalūs tuneliai parduoda matavimus. Vertikalūs tuneliai parduoda skrydį. Pasvirieji tuneliai parduoda sklendimą, kuris dar visai neseniai egzistavo tik lauke.

Jei jau žinote, kas turi būti patalpinta į oro srautą, tipas paprastai nusprendžiamas per vieną inžinerinį pokalbį. Jei vis dar svarstote galimybes, greičiausias kelias pirmyn yra specifikacijų peržiūra: turima vieta, tikslinis greitis, darbinės zonos dydis ir tai, ką reikia išmatuoti.

Pasikalbėkite su mūsų inžinierių komanda – mes projektuojame, gaminame, montuojame ir atliekame paleidimą bei derinimą (commissioning) nestandartiniams visų trijų architektūrų vėjo tuneliams, prisiimdami vienintelę atsakomybę nuo koncepcijos iki perdavimo.

---

Šaltiniai ir pastabos

• Pavaros galios klasės (750 kW / 1 000 kW / 1 260 kW; konkuruojantys 14 pėdų recirkuliaciniai tuneliai iki 1 600 kW), CAPEX diapazonas nuo 4,5 mln. iki 12 mln.+ JAV dolerių ir 30–35 % konstrukcinių statybos darbų dalis yra TunnelTech projektų duomenys, atitinkantys mūsų paskelbtus straipsnius apie CAPEX ir energiją.
• Energijos rodikliai – 60–70 % sutaupymas uždaram kontūrui, 20–30 % šaldymo agregatų (čilerių) pridėtinės išlaidos, iki 30 % ventiliatoriaus galios praradimas dėl ortakiuose esančių šilumokaičių, iki 60 % aušinimo sutaupymas dėl pasyvaus vėdinimo – yra iš to paties vidinio duomenų rinkinio.
• „Wingsuit“ horizontaliosios dedamosios greitis (maždaug 90–130 km/h) ir darbinės zonos ilgis (maždaug 10 m) atspindi paskelbtą etaloninį šios technologijos objektą; vertinkite tai kaip orientacinius dabartinių pasvirųjų tunelių koncepcijų rodiklius, o ne kaip fiksuotą specifikaciją, ir prieš pateikdami kainą patikrinkite pagal konkretų projektą. Šaltinių duomenis rasite mūsų straipsnyje apie

[Article not found: inclined-wind-tunnel-engineering-design]

.

• Automobilių bandymų greičiai 250–300 km/h apibūdina keliams aktualų segmentą; automobilių sporto ir aviacijos objektai veikia už šio diapazono ribų.
• Vertikalaus tunelio greičio diapazonas nuo 180–200 km/h pradedančiajam, atliekančiam skrydį ant pilvo (belly fly), iki ~320 km/h profesionaliose ir karinės paskirties kamerose (kovinės parengties parašiutininkams su šarvuotomis liemenėmis ir ekipuote reikia viršutinės šio diapazono ribos) atitinka mūsų paskelbtą straipsnį apie nestandartinius vertikalius tunelius kariniams laisvojo kritimo mokymams.