Galleria del vento
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Una galleria del vento è un'apparecchiatura che viene utilizzata per studiare l'andamento di un flusso di un gas (tipicamente aria) attorno ad un corpo.
Le misure che si effettuano sono tipicamente misure di: velocità globali e locali del flusso, misure di pressione, di temperatura e forze esercitate dal fluido sul corpo, si effettuano anche prove ottiche sui modelli, iniettando nel fluido particolari coloranti, o attaccando ai modelli dei fili di lana capaci di seguire l’andamento dei flussi.
Le gallerie del vento si basano sul cosiddetto principio di reciprocità; e cioè dal punto di vista del valore delle grandezze fisiche che vengono misurate e dell'andamento dei flussi sul corpo, è assolutamente indifferente accelerare il fluido o l’oggetto da studiare.
Le gallerie del vento si dividono in due grandi categorie: gallerie a ciclo aperto e gallerie a ciclo chiuso.
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[modifica] Gallerie a ciclo aperto
Le gallerie a ciclo aperto sono composte generalmente da un una bocca, da un condotto a sezione costante (generalmente a sezione o circolare o rettangolare) dove sono posti alcuni dispositivi atti a controllare la qualità del flusso. A questo condotto ne segue un altro (a sezione circolare o rettangolare) di tipo convergente, il quale termina nel punto di inizio della camera di prova che è a sezione costante e dove viene inserito il modello dell'oggetto di cui si vuole studiare la fluidodinamica; nella camera di prova la velocità del fluido è la più elevata, e precisamente deve essere al massimo quella di progetto.
Alla camera di prova segue un condotto divergente (generalmente a sezione circolare) che è chiamato divergente o diffusore. Ad un determinato punto ben preciso del divergente è presente il motore, elettrico e carenato, a cui sono collegate una o più ventole. Le ventole hanno il compito di trasferire l'energia cinetica, generata dal motore, al fluido. A questi componenti segue un'ulteriore espansione del flusso (attraverso un ulteriore divergente) e successivamente l'espulsione del flusso nell'ambiente esterno.
Importante tener conto che le ventole, che hanno il compito di trasferire al fluido l'energia cinetica fornita dal motore, sono posti a valle della camera di prova; questo perché le ventole, oltre a fornire al fluido l'energia cinetica necessaria, generano anche una serie di vortici e turbolenza la cui presenza in camera di prova, e perciò sul modello, andrebbero completamente ad alterare il valore delle misure effettuate.
Gli svantaggi di una galleria aperta sono la rumorosità e l’apparente perdita di energia che si ha a causa dello scarico in atmosfera del fluido accelerato. In realtà quest’ultimo svantaggio non si verifica del tutto. Questo perché se si unisse l’uscita del flusso dalla galleria con l’ingresso e si realizzasse quindi una galleria chiusa (come sotto descritta) si verificherebbero perdite di carico (cioè perdite di energia del fluido dovute all'attrito), questo spiega perché ancora esistono e sono utilizzate, in caso di prove a modeste velocità, le galleria del vento a ciclo aperto.
Uno svantaggio ben più consistente di quello appena descritto è il fatto che la camera di prova è chiusa e la pressione al suo interno è più bassa di quella esterna (si veda a tal proposito il teorema di Bernoulli) proprio a causa di questo, la camera di prova deve essere sigillata in maniera perfetta, questo perché in caso contrario si avrebbe un’infiltrazione di fluido dall’esterno che, essendo a pressione maggiore, penetrerebbe nella camera alterando significativamente l’andamento dei flussi in camera di prova e quindi le misure effettuate.
[modifica] Gallerie a ciclo chiuso
Le gallerie a ciclo chiuso hanno le stesse componenti fin ora elencate per le gallerie a ciclo aperto, la differenza risiede nel fatto che mentre nella galleria a ciclo aperto il fluido, a valle della ventola viene espulso all'esterno, nelle gallerie a ciclo chiuso il fluido viene riutilizzato e riportato all'altezza della bocca d'ingresso e quindi rimesso in circolo nella galleria attraversando di nuovo tutte le componenti sopra citate. I vantaggi rispetto alla soluzione aperta sono nella possibilità di variare le caratteristiche del fluido usato, (pressione, temperatura, umidità, viscosità del fluido e così via) e di poter utilizzare una camera di prova aperta o semiaperta, con notevoli semplificazioni in termini di logistica nel posizionare i modelli da provare. Le gallerie a ciclo chiuso devono però essere equipaggiate con scambiatori di calore e radiatori capaci di raffreddare il fluido che man mano che scorre si riscalda in maniera consistente, con la possibilità di alterare le misure effettuate.
Un'importante e interessante caratteristica delle gallerie a ciclo chiuso è quella di poter variare i valori di pressione, temperatura e densità del fluido, al contario delle gallerie aperte.
Un’altra classificazione delle gallerie del vento distingue queste ultime rispetto alla velocità del flusso in camera di prova:
- gallerie subsoniche incomprimibili se il numero di Mach della corrente è compreso tra 0 e circa 0,3;
- gallerie subsoniche comprimibili se il Mach della corrente è compreso tra circa 0,3 e circa 0,8;
- gallerie transoniche se il Mach della corrente è compresa tra 0,8 e 1,2;
- gallerie supersoniche se il Mach della corrente è compreso tra 1,2 e 5;
- gallerie ipersoniche se il Mach della corrente è superiore a 5.
Le caratteristiche sono radicalmente diverse, anche se alcune componenti sono simili. Le gallerie del vento subsoniche sono tutte alimentate da un ventilatore, le gallerie supersoniche invece sono quasi tutte senza ventilatore, e sono di tre tipi.
Il primo tipo prevede, per realizzare un flusso supersonico, un grande serbatoio a valle della camera di prova, dentro al quale si realizza un vuoto spinto. Per effettuare la prova si apre una valvola e il gas fluisce velocissimamente attraverso un condotto appositamente sagomato, dall’ambiente esterno verso il serbatoio che si sta aprendo.
Un altro tipo di galleria del vento supersonica si può realizzare riempiendo a pressione un grande serbatoio a monte della camera di prova, per realizzare il flusso supersonico si apre così una valvola e il gas fluisce velocissimamente dal serbatoio ad alta pressione verso la camera di prova.
Questi tipi di gallerie hanno l’inconveniente di realizzare un flusso intermittente, cioè in tutti e due i tipi di gallerie appena analizzate, aperte le valvole dei serbatoi, essi si svuotano o si riempiono e quindi è necessario un certo tempo (nel quale non si può provare), per riportare i serbatoi nelle condizioni iniziali.
Questo inconveniente può essere superato con il terzo tipo di galleria supersonica, che si può realizzare come una galleria tradizionale chiusa. Questo però comporta enormi difficoltà e costi esagerati perché esistono problemi notevoli nelle fasi di avviamento della galleria, è quindi necessaria una configurazione a geometri variabile della galleria.
Si ricorda che il comportamento di un flusso supersonico è radicalmente diverso da un flusso subsonico, questo comporta che alcune componenti devono essere realizzate diversamente, ad esempio prima della camera di prova sarà messo un condotto convergente-divergente e non solo convergente perché con il condotto convergente si realizza un flusso sonico, che con il condotto divergente, diventerà supersonico. Si ricorda inoltre che in un flusso supersonico se la sezione del condotto aumenta, la velocità va aumentando e non diminuendo come accade per un flusso subsonico.
Le gallerie supersoniche sono utilizzate principalmente per visualizzare le onde di Mach e di Shock che si creano sugli oggetti o in prossimità di essi. Inoltre diventa un parametro fondamentale per le simulazioni, l’effetto della temperatura del gas che non è più trascurabile così come le variazioni di densità che, già per velocità nell'ordine di Mach 0,3, non sono più trascurabili.
[modifica] Dimensioni
Le gallerie del vento hanno dimensioni variabili a seconda delle esigenze. Prendendo per esempio le camere di prova, si va da galleria con dimensioni al di sotto del metro quadro di sezione, fino all’enorme galleria del vento della NASA di Ames con camera di prova di 24x36 metri. Lo sviluppo delle gallerie del vento ha avuto un’enorme accelerazione durante la Guerra Fredda grazie anche agli enormi capitali investiti dai governi Russi e Statunitensi. In queste nazioni si trovano le gallerie del vento più grandi e potenti, alcune capaci di arrivare fino a Mach 25 per i test delle navicelle spaziali al ritorno sulla terra.
Naturalmente il costo di costruzione e di utilizzazione di una galleria del vento, varia secondo le dimensioni e le caratteristiche sia del flusso che si realizza, sia delle caratteristiche geometriche stesse della galleria. Si avrà così che le gallerie a ciclo aperto sono le più semplici e hanno prestazioni limitate, ma sono più economiche, mentre gallerie a ciclo chiuso avranno costi più alti sia di manutenzione che di costruzione e di utilizzo, ma una qualità del flusso molto elevata.
[modifica] Applicazioni
Tipicamente nelle gallerie del vento vengono provati aeroplani, automobili, camion, treni, elicotteri,e anche se in misura minore, motociclette. Provano in galleria anche ciclisti, sciatori e atleti per gare su ghiaccio come per i bob e i pattinatori, oppure in particolari gallerie del vento anche gli atleti che lanciano dagli aeroplani per stabilire record di volo senza paracadute. Si provano anche edifici, ponti, generatori eolici, portaerei e in generale tutti i veicoli e oggetti che si muovono nell’aria.
È possibile effettuare la prova di aeroplani (se la galleria è chiusa) variando le caratteristiche del fluido in termini di temperatura e umidità andando così a simulare le condizioni climatiche che l'aereo potrebbe incontrare nella sua vita operativa. Si possono così simulare l'effetto della formazione di ghiaccio sulle ali (che può causare lo stallo delle superfici portanti del velivolo e quindi la probabile caduta dell'aeroplano, o il possibile blocco dei comandi causato appunto dal ghiaccio) o altri effetti delle perturbazioni meteorologiche sull'aerodinamica del velivolo.
La prova di edifici e strutture come i ponti viene fatta simulando l'andamento temporale e spaziale dei venti del luogo dove sorgeranno queste strutture. Le prove sugli edifici consentono anche di capire come, ad esempio, l'inquinamento da fumi di industrie va ad influire e a interagire con i centri abitati.
Per l'utilizzo automobilistico si usano anche dei tappeti mobili capaci di simulare, nel modo più preciso possibile, l'effetto del suolo. Questi tappeti in pratica funzionano come degli enormi "tapis roulant" che viaggiano a svariate decine di metri al secondo. Recentemente si è parlato anche di tappeti mobili capaci anche di vibrare per simulare le sconnessioni e le imperfezioni del suolo, cosa questa molto importante nei veicoli a più alte prestazioni che viaggiano a pochi centimetri dal suolo, per capire e studiare la stabilità degli strati limite aderenti ai corpi e al suolo.
Per quanto riguarda gli studi accademici si effettuano esperimenti principalmente sugli strati limite, con studi di stabilità e turbolenza.
Naturalmente in galleria del vento si provano modellini degli oggetti in scala ridotta, e questo porta a una serie di problemi praticamente insormontabili, almeno dal punto di vista teorico. La "teoria della similitudine" infatti impone delle condizioni sulle dimensioni dei modelli assurde che costringerebbero a provare non modellini in scala ridotta ma modelli in dimensione reale. Le simulazioni vengono fatte cercando di riprodurre sui modelli in galleria del vento alcuni parametri come i numeri di Reynolds, Eulero, Froude, Cauchy e Mach. La teoria della similitudine, come accennato, impedisce che, a parità di fluido, si possano effettuare simulazioni con modelli rispettando tutti i parametri sopra elencati contemporaneamente. Questo problema è praticamente irrisolvibile e quindi nascono gallerie dalle dimensioni molto variabili, come detto in precedenza che sono capaci di rispettare contemporaneamente solo alcuni dei numeri sopra elencati. Questo comporta che per avere informazioni precise realmente complete, bisogna effettuare prove con modelli dalle dimensioni diverse e in gallerie del vento diverse e questo fa crescere notevolmente i costi. Non solo: i dati ricavati dalle varie simulazioni non sono sempre completamente aderenti alla realtà e in più non sono mai uguali e riproducibili se si cambia galleria del vento. Questo ha portato allo sviluppo di algoritmi e modelli matematici sempre più complessi e precisi che siano in grado di trasferire e interpretare correttamente i dati ricavati in galleria del vento al fine di prevedere nel modo più accurato possibile il comportamento dell'oggetto realizzato.
Si badi che questo problema è il problema maggiore che si ha oggi nelle simulazioni in galleria del vento e non va quindi mai sottovalutato.
[modifica] Componenti
[modifica] Convergente
Il convergente serve per ridurre la sezione e fare quindi aumentare la velocità del fluido riducendo contemporaneamente il livello di turbolenza e lo spessore degli strati limite sulle pareti. È interessato da un gradiente di pressione negativo, e quindi favorevole, (essendoci più pressione all’inizio del convergente e meno al termine) non è quindi presente il problema della separazione dello strato limite, questo consente un restringimento della sezione abbastanza rapida. La contrazione della sezione (contraction ratio in inglese) è generalmente nell’ordine di 6, molto raramente è maggiore.
[modifica] Camera di prova
E' il luogo dove viene messo l’oggetto da provare oppure dove vengono effettuate le misure sul flusso. È di fondamentale importanza riprodurre il più possibile le condizioni reali in cui si trova a lavorare l’oggetto della prova, è importante anche avere un flusso perfettamente noto intermini di numero di Reynolds di livello di turbolenza, di temperatura di umidità e di tutte le altre variabili che determinano le caratteristiche del flusso. La camera di prova è il punto dove il flusso si trova a velocità maggiore e cioè quella massima di progetto della galleria; è inoltre naturalmente la prima componente progettata della galleria del vento e deve essere sufficientemente grande per ospitare il modello che si vuole provare per non incorrere nel problema del bloccaggio. Questo fenomeno è in pratica l'effetto delle pareti della camera di prova sulle linee di flusso e sulla velocità del fluido nelle vicinanze dell’oggetto da provare. In tutte le gallerie esiste l’effetto del bloccaggio in linea teorica, questo perché se il corpo si troverà ad operare, per esempio in atmosfera, si troverà ad operare in un ambiente “teoricamente infinito” mentre in galleria del vento si troverà ad operare sempre in un ambiente di pochi metri quadrati di sezione, così, se il modello è sufficientemente piccolo rispetto alle dimensioni della camera di prova, si potrà ridurre questo effetto o comunque correggere i dati ricavati attraverso modelli matematici, appositamente tarati per la particolare geometria della camera di prova in questione, implementati direttamente negli elaboratori che processano i dati provenienti dai sensori in galleria.
[modifica] Divergente
E' la componente che si trova dopo la camera di prova, immaginando di seguire l’andamento del flusso nella galleria. Ha diversi compiti: la prima è far diminuire la velocità aumentando la sezione, la seconda funzione dell'allargamento della sezione è puramente funzionale al ricongiungimento del condotto al convergente nelle gallerie a ciclo chiuso. Il rallentamento del fluido dopo la camera di prova è fondamentale perché posizionando il motore, e quindi il ventilatore o l’elica in un punto a bassa velocità, è possibile installare un motore meno potente e quindi meno costoso e più piccolo. Nel divergente è presente un gradiente di pressione positivo e quindi sfavorevole, dato che la pressione al termine del divergente è maggiore del valore di pressione all’inizio. Questo porta ad uno ispessimento dello strato limite e nasce quindi la possibilità che si verifichi il dannosissimo fenomeno della separazione dello strato limite, questo si può evitare con opportuni dispositivi di succhiamento dello strato limite o di soffiatura oppure con angoli di divergenza ridottissimi (massimo 2° o 3°). Un’altra soluzione è quella dei divergenti rapidi in cui si utilizzano reti o paratie intermedie capaci di far riattaccare lo strato limite sulla parete del divergente stesso.
[modifica] Curve
Servono per poter far cambiare direzione al flusso, sono composte da un condotto ad angolo opportunamente smussati e da vari profili alari disposti a schiera che hanno il compito di facilitare il flusso a curvare. Le curve sono interessate dal fenomeno della separazione dello strato limite per il fatto che hanno un’elevata curvatura, e per il fatto che alcune volte il condotto in uscita ha sezione maggiore di quello in ingresso ed è quindi presente un gradiente di pressione avverso. Grazie però al fatto che si usano schiere di profili è possibile evitare questo fastidioso fenomeno. Le curve per loro natura tendono a introdurre della vorticità assiale che però può essere minimizzata con l’uso di appositi dispositivi e conformazioni delle curve stesse.
[modifica] Motore e ventilatore
Il motore può essere coassiale al ventilatore oppure può essere esterno. Il caso del motore esterno è il migliore perché più schermato e quindi produce meno disturbo al fluido (in termini acustici) riscaldandolo anche di meno. Il motore ha il compito di convertire l’energia elettrica fornita dall’esterno in una coppia e quindi in energia cinetica da trasmettere al ventilatore e quindi poi al fluido. Il ventilatore o i ventilatori sono composti da una serie di eliche coassiali oppure affiancate; essi hanno il compito principale di trasferire l’energia cinetica fornita dal motore al fluido. Il trasferimento naturalmente non è ne adiabatico né isoentropico, questo vuol dire che una parte di energia cinetica va persa in calore. Il ventilatore è posto a valle della camera di prova in una zona con una sezione elevata per ridurre la potenza necessaria da fornire. Deve inoltre essere messo più lontano possibile dalla camera di prova secondo il percorso che deve fare il fluido, quindi l’ideale sarebbe quello di metterlo appena dietro il modello, questo però è sfavorevole perché al termine della camera di prova la velocità è la massima possibile perché, oltre al fatto che in camera di prova si cerca di avere la massima velocità possibile, alla fine della camera di prova lo strato limite risulta più spesso rispetto alla zona centrale della camera di prova, e questo causa una diminuzione della sezione vista dal fluido e quindi una velocità ancora più elevata che all’inizio della camera di prova; il ventilatore è quindi disposto alla fine del divergente che deve essere il più breve possibile.
[modifica] Honeycomb
L’honeycomb è composto da una serie di tubi di piccolo diametro (generalmente tra 5 e 7 mm) e lunghi circa una quindicina di centimetri. Questi tubicini sono disposti coassialmente al condotto nel quale si trovano (generalmente nella zona della galleria dove le velocità sono le più basse possibili per minimizzare le perdite di carico) e sono incollati l’uno all’altro a formare strutture, generalmente esagonali (simili ai nidi d'ape), che ricoprono l’intera aerea della sezione dove sono posti. A titolo di esempio si cita che, in una galleria avente una sezione dove è presente l’honeycomb di 3.6 X 0.9 metri, sono disposti qualcosa come 78000 tubicini di 7 mm di diametro. Il compito dell’honeycomb è quello di eliminare le componenti di velocità del flusso normali alle pareti e indirizzare il flusso unicamente e il più possibile in direzione dell’asse del condotto. Generalmente l’honeycomb o gli honeycomb sono posti poco prima dell’inizio del convergente e quindi appena prima della camera di prova.
[modifica] Reti
Le reti hanno il compito di spezzare le strutture vorticose di grande scala e convertirle in strutture vorticose più piccole e più uniformi, si rende così il profilo di velocità più uniforme. Le reti hanno però, come già detto, il difetto di deviare la direzione principale del flusso, è perciò necessario posizionarle attorno ad elementi (l’honeycomb) capaci di “raddrizzare” il flusso. Sono componenti che tendono a sporcarsi e quindi, come l’honeycomb, necessitano di frequente manutenzione.
