Tuulitunneli

Tuulitunneli on laite, jossa voidaan tutkia esineiden ympärille muodostuvaa virtauskenttää, painetta, vastusta ja esineeseen vaikuttavia voimia.

Yleistä

Laite toimii niin, että mitattava esine, ns. malli, kiinnitetään mittatilaan. Mittatilan läpi puhalletaan tai imetään ilmaa. Malli on usein pienoismalli esimerkiksi autosta tai lentokoneesta. Suurissa ilmailumaissa (NASA Yhdysvalloissa, TsaGI Venäjällä) on niin suuria tuulitunneleita, että niissä voi testata kokonaisia lentokoneita.

Erilaiset tuulitunnelit

Alisooninen tuulitunneli

Alisoonisella tuulitunnelilla tarkoitetaan yleensä tuulitunnelia, jossa Machin luku on alhainen, yleensä alle 0,3 Mach. Virtausnopeus on tällöin yleensä alle 400 km/h. Tuulitunneli voi olla avoin, jossa otetaan korvausilmaa ja mittatilan jälkeen ilma virtaa ulos tunnelista, tai rengasmainen, jolloin sama ilma kiertää tunnelissa. Ilman virtaus aikaansaadaan yleensä sähkömoottorilla pyörivän potkurin avulla.

Eiffel-tyyppinen avoin tuulitunneli

Suljettu pienen nopeuden tuulitunneli.

Suuren nopeuden alisooninen ja transsooninen tuulitunneli

Suuren nopeuden alisoonisessa tuulitunnelissa Machin luku on 0,4 - 0,75. Transsoonisessa tuulitunnelissa Machin luku on 0,75 - 1,2. Molemmissa ilman kokoonpuristuvuus vaikeuttaa tuulitunnelin toteuttamista. Vaaditaan muun muassa suuremmat moottorit aikaansaamaan riittävä virtausnopeus. Mallin kokemat kuormat kasvavat ja monesti käytetäänkin pienempiä pienoismalleja, jos se oikean Reynoldsin luvun aikaansaamiseksi on mahdollista. Myös tiivistysaaltojen heijastuminen tuulitunnelin seinistä aiheuttaa ongelmia. Mittatilan seinämissä onkin yleensä rajoja, jotka rikkovat tiivistysaallon siten, ettei se heijastu takaisin malliin.

Suuret transsooniset tuulitunnelit kiihdyttävät ilman päästämällä korkeapaineista ilmaa (tai muuta kaasua) korkeapaineisesta säiliöstä. Kaasu voi olla kryogeenisen kylmää.

Tiivistysaallon heijastuminen tuulitunnelin seinästä.

Ylisooninen tuulitunneli

Ylisoonisessa tuulitunnelissa saadaan aikaan virtausnopeus 1,5 - 5 Mach.

Tuulitunnelit ovat yleensä mittatilan poikkipinta-alaltaan paljon pienempiä kuin alisoonisen alueen tuulitunnelit. Siltikin tunnelin toteuttaminen on vaikeaa: tarvitaan paineastia, josta korkeapaineinen ilma virtaa tuulitunneliin, malliin kohdistuvat voimat ovat suuria ja ilman vähäinenkin kosteus muuttuu nesteeksi virtaavassa, laajenevassa ilmassa. Ilma on joko kuivattava tai lämmitettävä. Tuulitunneli ei ole jatkuvatoiminen, vaan siinä tehtävät kokeet on suunniteltava siten, että niistä saadaan mittaukset tehtyä tyypillisesti muutamassa kymmenessä sekunnissa. Ylisooniset tuulitunneli ovat avoimia eli ne puhaltavat mittatilan jälkeen ilman ulos. Tämä voi merkitä merkittävää meluhaittaa tuulitunnelin lähialueella.

Ylisooninen tuulitunneli. Osat vasemmalta oikealle: paineastia, painesäädin, laajeneva osa, asettumiskammio, supistuva suutin, jossa virtaus kiihtyy saavuttaen kurkussa äänen nopeuden ja ylisoonisessa laajenevassa suuttimessa kiihtyy suurempaan nopeuteen, mittatila, jossa on malli ja sen tuenta ja mittausanturit, poistosuutin.

Hypersooninen tuulitunneli

Hypersoonisessa tuulitunnelissa virtausnopeus on 5-50 Mach.

Tuulitunneli toimii paineella kuten ylisooninen tuulitunneli ja on täten hetkellisesti toimiva (tästä nimitykset "Gun Tunnel" ja "Hot Shot Tunnel"). Ilma voi nesteytyä virtauksessa, jonka takia sitä lämmitetään.

Esimerkiksi 5,5 km/s virtausnopeuden aikaansaaminen (vastaten 45 km:n korkeutta) vaatisi 3 GPa paineen ja kaasun lämpötilan tulisi olla 9000 K.

Asiasta muualla: Hypersooninen tuulitunneli von Karman -instituutissa Belgiassa

Aiheesta muualla

• Teknillisen korkeakoulun tuulitunneli