Tunel plný vetra

Túžba človeka lietať či dosahovať veľké rýchlosti je stará ako ľudstvo. Skvelým pomocníkom pri dobývaní týchto mét bol vynález aerodynamického tunela. Ako vlastne funguje?

Aerodynamický tunel je meracie experimentálne zariadenie na riešenie najrôznejších aerodynamických problémov. Využíva sa v leteckom a automobilovom priemysle, v stavebníctve, dokonca aj v ekológii a v športe. A hoci máme v súčasnosti k dispozícii pokročilé výpočtové možnosti, majú experimenty vykonané v aerodynamických tuneloch stále svoje opodstatnenie.

Prvé experimenty
Aerodynamika je odbor mechaniky skúmajúci silové pôsobenie na teleso, ktoré je obtekané prúdom vzduchu. Pri tomto obtekaní sa častice vzduchu spájajú do prúdnic, akýchsi dráh častíc vzduchu, a tie sa spájajú do tzv. prúdového zväzku.
Na prvé experimenty s aerodynamikou slúžila príroda. Využíval sa napríklad vzduch prúdiaci medzi skalami či na okraji jaskyne, no v dôsledku nestability prúdu boli výsledky nepresné. Prvá relatívne vyspelá metóda bolo rotujúce rameno anglického matematika Benjamina Robinsa (1707 – 1751). Používal prístroj, kde sa skúmaný predmet upevnený na otočnom ramene pohyboval po kruhovej dráhe. Prístroj bol poháňaný pomocou lana a závažia a dosahoval rýchlosť do 3 m/s.
Ďalším priekopníkom bol sir George Cayley (1773 – 1857). Ten použil rotujúce rameno na meranie ťahu a vztlaku pre rôzne profily krídel. Cayleyov najväčší prínos bolo definovanie rozdelenia síl – na lietanie je nutný ťah motora a pre krídla vztlak.

Od lietadiel k autám
Hoci vďaka rotujúcim ramenám vznikli prvé experimentálne lietajúce stroje a klzáky, táto metóda bola zle merateľná a nepresná. Bolo potrebné prísť s niečím novým – veterným tunelom.
S prvým známym návrhom a stavbou prišiel v roku 1871 Angličan Francis H. Wenham (1824 – 1908). Meracia časť so štvorcovým prierezom 0,5 m² bola 3,5 metra dlhá. Parný stroj poháňal ventilátor a ten vytváral prúd vzduchu s rýchlosťou 65 km/h. F. H. Wenham montoval do tunela predmety rôznych tvarov a na nich meral vztlakové a odporové sily.
Od tých čias začali postupne vznikať aerodynamické tunely, kde skúmaný predmet stojí na mieste a prúd vzduchu sa pohybuje okolo neho. Svoj vlastný tunel mali aj bratia Wrightovci. Ich drevený tunel s prierezom 400 × 400 mm im určite veľmi pomohol pri uskutočnení prvého motorizovaného letu človeka.
Do prvej svetovej vojny sa vývoj aerodynamických tunelov odohrával najmä v Európe. Aerodynamické tunely sa využívali predovšetkým na testovanie lietadiel, ale postupom času sa aerodynamika začala dostávať aj do automobilového priemyslu. Netrvalo dlho a roku 1934 uzrela svetlo sveta Tatra T77, prvý sériovo vyrábaný aerodynamický automobil na svete vyvinutý v aerodynamickom tuneli. Vďaka koeficientu odporu vzduchu s hodnotou Cx 0,21 mohla Tatra s motorom s výkonom 44 kW nielen ľahko dosiahnuť, ale aj udržať maximálnu rýchlosť 145 km/h. Vtedajšie vozidlá na to potrebovali výkon vyšší ako 75 kW.

Aj skokani na lyžiach testujú postoj a kombinézu v aerodynamickom tuneli, foto Red Bull.

Komplex častí
Všetky aerodynamické tunely sa skladajú z jednotlivých oddelení a častí. Základom každého aerodynamického tunela je prúd vzduchu, ktorý sa zvyčajne vytvára pomocou ventilátora. Prúd vzduchu potom vedie cez dve zákruty, tzv. kolená, kde ho usmerňujú lopatky. Nasleduje narovnanie vzduchu prúdením cez mrežu. Odtiaľ vedie prúd vzduchu cez dýzu a merací priestor do difúzora. Tvar dýzy určuje rýchlosť prúdenia v meracom priestore, čo je časť tunela s najmenším prierezom, aby sa tu dosiahla najvyššia rýchlosť. Keďže tu má prúd vzduchu maximálnu rýchlosť a je homogénny, umiestňujú sa tam merané telesá. V difúzore sa zväčšuje plocha prierezu, a teda sa spomaľuje prúd vzduchu. Cez dve smerové lopatky mieri prúd znovu do ventilátora, čím sa celý cyklus uzatvára.
Hlavné rozdiely aerodynamických tunelov sú v otvorenom alebo uzavretom prúdení vzduchu a v rôznych tvaroch testovacích úsekov. Uzavretý tunel je ten, v ktorom je zaistená určitá cirkulácia vzduchu, pri otvorenom tuneli sa vzduch nasáva z atmosféry a znovu sa vypúšťa von.

Eiffelov typ
Najjednoduchší aerodynamický tunel s otvoreným meracím okruhom je Eiffelov typ. Jeho hlavnou výhodou sú nižšie finančné náklady na výstavbu a pri vizualizácii prúdenia vhodnejšie použitie látok, ako sú dym či výfukové plyny z bežiaceho motora – plyny sa totiž po opustení tunela nevracajú späť ako v uzavretom okruhu. Ďalšou výhodou je, že pri stálych okolitých podmienkach sa teplota skúšobného úseku počas testovania nemení.
Nevýhodou otvoreného aerodynamického tunela sú pre chýbajúcu rekuperáciu energie vyššie prevádzkové náklady a aj hlučnosť ventilátora, čo môže viesť až k porušeniu hlukových limitov. Prúdenie vzduchu je tu tiež horšie ako v uzavretom tuneli. Pri väčších zariadeniach, ktoré čerpajú vzduch z atmosféry, sa musia brať do úvahy zmeny počasia čiže aj kvalita média. Aj preto sa vzduch zvykne pred vstupom do tunela nejakým spôsobom upravovať, napríklad vysušením silikagélom.

V špeciálnych aerodynamických tuneloch sa testujú aj vlakoví súpravy na rôzne poveternostné podmienky, foto Siemens.

Uzavretý okruh
Najrozšírenejším typom aerodynamických tunelov je tunel s uzavretým meracím okruhom. Jeho najväčšou výhodou je ustálený prúd vzduchu v meracom priestore. Keď už sa zariadenie rozbehne, ventilátor kryje len straty, ku ktorým dochádza v meracom priestore či v kolenách, takže sú tu nižšie energetické požiadavky. Okrem toho tieto zariadenia vydávajú menej hluku, pretože na ne nevplývajú okolité poveternostné podmienky. Nápor vetra v tuneli je jednoduchšie ovládateľný. Navyše, výstavba uzavretého tunela je možná v horizontálnom  aj vo vertikálnom smere.
Medzi nevýhody tohto systému patria vyššie obstarávacie náklady a nevhodnosť pre niektoré typy meraní. Nevhodným javom je aj nárast teploty pri trení vzduchu o steny tunela a pri dlhodobom testovaní hromadenie dymu. S dymom sa bojovať nedá, no narastajúca teplota je odbúrateľný faktor – do stien tunela sa inštalujú výmenníky tepla na reguláciu teploty.
Okrem tohto základného delenia sa aerodynamické tunely delia aj podľa Machovho čísla, teda podľa dosiahnuteľných rýchlostí prúdenia v tuneli. Existuje však veľa aerodynamických tunelov so špeciálnym zameraním. Napríklad ekologické tunely simulujú vonkajšie prostredie a merajú sa v nich okolité rýchlosti či sily pôsobiace na budovy, hlavne na mrakodrapy. Môžu však simulovať aj zaťaženie mosta, šírenie smogu či prúdy vetra v kaňone. Na testovanie lopatiek ventilátorov slúžia aeroakustické tunely, ako trenažér voľného pádu zasa vertikálne tunely.

Vizualizácia prúdenia
Pri obtekaní vzduchu je nutné nejakým spôsobom zviditeľniť prúd vzduchu. Na to sa používajú chumáče vlny z krátkych vláken, ktoré sa pravidelne rozmiestnia na povrch testovaného modelu. Jeden koniec vlákna je voľný, druhý pevný. Pri testovaní vlajúce vlákna ukazujú smer prúdenia. Za účelom lepšej viditeľnosti sa často používajú vlákna bielej farby, na ktoré sa svieti ultrafialovým svetlom.
Na vizualizáciu sa neraz používa dym. Ten sa tvorí pomocou generátora hmly, ktorý vytvára hrubé dymové pruhy. Dym sa aplikuje pomocou špeciálnej sondy. Tá sa dá ľubovoľne nasmerovať na miesta, kde treba pozorovať obtekanie vzduchu okolo modelu.
Ďalšia metóda zobrazovania prúdenia pracuje na princípe rozsvietenia malých častíc vo vzduchu pomocou laserového svetla. Hneď ako sa častice v prúde vzduchu dostanú do plochy osvietenej laserom, zviditeľnia sa a kamera ich nasníma. Snímky sa počítačovo vyhodnocujú a výsledkom je vektorová mapa rýchlosti častíc.
Na vizualizáciu obtekania vzduchu okolo modelu sa používajú aj špeciálne kvapaliny – zmes olejov či zmes petroleja a práškového ílu. Pre lepšiu viditeľnosť sa zvyčajne pridáva fluorescenčné alebo ultrafialové farbivo. Zmes sa nanesie na skúmané miesta. Vplyvom prúdenia vzduchu je kvapalina pomaly unášaná, a tak vytvára na modeli obraz smeru prúdenia.

R
Foto Daimler, BMW

Koeficient odporu vzduchu Cx

Je to bezrozmerná fyzikálna veličina, ktorej hodnota závisí od tvaru obtekaného predmetu, nie od jeho veľkosti. Čím je hodnota koeficientu menšia, tým je teleso skonštruované priaznivejšie na prúdenie vzduchu. Cx sa meria v aerodynamickom tuneli.

 

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 1/2020.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Komentáre