Come vengono utilizzati i modelli della galleria del vento quando si progettano velivoli supersonici?

Ci sono due cose coinvolte: trascinamento dell'onda e separazione dello strato limite. Il trascinamento dell'onda dipende dal numero di Mach mentre quest'ultimo dipende dal numero di Reynolds del flusso. È facile mantenere il numero Mach in arrivo poiché è indipendente dalla geometria; tuttavia, il numero di Reynolds dipende dalla geometria del modello.

Se si usa aria come mezzo, assumendo quindi che il flusso deve essere mantenuta alla temperatura costante di numero di Mach, e u sarà fissato dalle relazioni dinamiche gas. μ è praticamente fuori dalle nostre mani, quindi l'unico parametro non fisso è d .$\rho$$u$$\mu$$d$

Poiché è molto più piccolo per un modello che per un aereo reale, il flusso avrà un Re più basso rispetto a un aereo reale. Ciò fornirà caratteristiche di separazione del flusso diverse per un modello rispetto a un aereo reale.$d$$\text{Re}$

Nei test subsonico, unica cosa che conta è , che può essere perfezionato da abbinare con la dimensione effettiva modificando u per data d . Ma nel flusso supersonico, non abbiamo questo lusso, come u è deciso dal numero di Mach del flusso in entrata.$\text{Re}$$u$$d$$u$

Quindi, come vengono utilizzati i modelli della galleria del vento per la progettazione di aeromobili, veicoli spaziali e missili? Esistono tecniche di correzione per prevedere meglio la separazione dei flussi? Le stesse tecniche possono essere utilizzate per gestire i dati CFD?

Nella comunità della fluidodinamica circa 40 anni fa, il gruppo era principalmente diviso in sperimentatori e teorici. Tuttavia, a quel tempo il CFD era abbastanza nuovo, doveva essere eseguito su costosi supercomputer e non fidato. Era abbastanza comune che un teorico o uno sperimentatore avrebbero al massimo scartato i risultati del CFD, mentre altri avrebbero potuto ignorare totalmente i risultati del CFD come inutili. In effetti, il mio ex consulente di dottorato, il dott. David Whitfield, è stato uno dei primi pionieri nell'uso del CFD insieme agli esperimenti di aerodinamica presso l'Arnold Engineering Development Complex (AEDC). Questo riferimento spiega bene il pensiero sul CFD a quei tempi:

All'AEDC, il CFD veniva utilizzato per integrare i test nella galleria del vento, ma secondo il dott. Whitfield, non molte persone credevano nel CFD nei primi anni '70.

"In effetti", ha detto, "i miei sforzi per promuovere la CFD all'interno dell'AEDC nei primi anni '70 probabilmente mi hanno cacciato, o attraverso, la maggior parte delle porte di mogano. Tuttavia, quando il CFD è stato usato per spiegare l'origine del problema dell'angolazione del flusso in la sezione di test del 16T, e quando il gruppo CFD del Dr. John Adams, membro dell'AEDC, nel VKF, spiegò come un tunnel stava effettivamente operando su Mach 12 e non su Mach 16 come si pensava in precedenza, il CFD trovò nuova vita. "

"Una volta mi è stato detto che 'AEDC è un luogo di dati di test e non c'è posto per i CFD", ha spiegato. "Il nostro obiettivo era aiutare coloro che gestivano i tunnel per essere in grado di svolgere meglio il proprio lavoro. Non credo che l'AEDC dovrebbe essere solo un luogo di" dati di prova ". Piuttosto dovrebbe essere un luogo di soluzioni e comprensione fisica dei problemi e ciò può essere realizzato meglio dalla cooperazione reciproca tra coloro che si concentrano sugli esperimenti e quelli che si concentrano sulla numerazione ".

A quei tempi, in genere il progettista progettava un nuovo prototipo e lo inviava alla galleria del vento per testarlo, e forse alcuni CFD venivano eseguiti contemporaneamente. Generalmente ci sarebbero molti prototipi costruiti e testati, il che era molto costoso. Una di queste strutture sperimentali in cui lavoravo paga $ 16.000 al giorno per i test. D'altra parte, con lo sviluppo di solidi codici CFD open source, come OpenFoam e computer cluster, le simulazioni CFD sono abbastanza economiche.

Quindi, nel tempo, i CFD hanno iniziato a maturare e, con la diffusione dei computer cluster, è diventato abbastanza fattibile funzionare a basso costo. Con sempre più convalide con esperimenti pubblicati su riviste come l'AIAA Journal, i modelli CFD hanno iniziato ad avere sempre più fiducia. Al giorno d'oggi, il costo degli esperimenti è molto più costoso rispetto all'esecuzione di simulazioni CFD. Pertanto, nelle fasi di progettazione iniziale vengono utilizzate più simulazioni CFD, con molte iterazioni avanti e indietro e anche in questi giorni l'ottimizzazione della progettazione basata su CFD (CDO) viene spesso utilizzata nel processo di progettazione.

Al giorno d'oggi, ho compreso che le gallerie del vento vengono utilizzate in questi giorni principalmente per i seguenti motivi: (1) test di prototipi finalizzati e (2) conduzione di ricerche fondamentali sui flussi supersonici, in particolare al fine di sviluppare modelli numerici più accurati.

Per quanto riguarda il raggiungimento della somiglianza del flusso, quando si hanno due diversi numeri non dimensionali, come il numero di Reynolds e il numero di Mach, lo sperimentatore deve scegliere quale numero è più importante da abbinare. Per i flussi subsonici, dovrebbe essere usato il numero di Reynolds, mentre per i flussi transonici e supersonici dovrebbe essere usato il numero di Mach.

$^{\circ}$C, ma raggiunge solo un numero massimo di Reynolds di 50 milioni al metro. Con una lunghezza massima della sezione di test di 9 metri, il numero massimo possibile di Reynolds sarebbe 450.000.000, ancora meno della metà di un Boeing 747. In questi casi, le persone hanno sviluppato leggi di ridimensionamento per gestire il modo di ridimensionare i risultati al più grande Numero di Reynolds. Il ridimensionamento ha principalmente a che fare con lo spessore dello strato limite, che influisce anche su altre cose come l'attrito della pelle, e infine si solleva e trascina. Nel 2003 si è tenuta una conferenza speciale all'Università di Princeton per discutere di questi temi. I risultati di quella conferenza furono questo libro: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3

Dalla mia esperienza, gli esperimenti sono usati solo per:

• validare metodi numerici
• risolvere le caratteristiche di flusso che non vengono acquisite correttamente dal CFD (ad es. flusso instabile, differenze nelle scale di lunghezza e tempo, interazione fluido-struttura)

Come affermato da @Wes, la qualità e l'accuratezza dei moderni CFD sono così elevate combinate con la potenza di calcolo dei cluster moderni che la conduzione di semplici esperimenti non vale più la pena.