Λειτουργία Υπερηχητικής Αεροσήραγγας

Abstract

Οι αεροσήραγγες υπήρξαν θεμελιώδη εργαλεία στην αεροδυναμική έρευνα ήδη από τον 18ο αιώνα. Από τα πειράματα περιστρεφόμενου βραχίονα του Benjamin Robins έως το πρωτοποριακό έργο του Gustav Eiffel και τη σήραγγα κλειστού κυκλώματος του Ludwig Prandtl, οι εγκαταστάσεις αυτές επέτρεψαν τη συστηματική διερεύνηση της ροής ρευστών γύρω από τεχνητές δομές, χωρίς να εκτίθενται οι χρήστες σε κίνδυνο. Σήμερα, οι αεροσήραγγες καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα, από υποηχητικές εγκαταστάσεις έως κρυογονικές και υπερηχητικές υψηλής ενθαλπίας, ικανές να επιτύχουν ταχύτητες που υπερβαίνουν τον αριθμό Mach 20. Η σημασία του οργάνου υπερβαίνει κατά πολύ την εργαστηριακή του εφαρμογή: οι αεροσήραγγες υπήρξαν αναντικατάστατες στην εξέλιξη της αεροπλοΐας, από την πρώτη μηχανοκίνητη πτήση των αδελφών Wright και την υπέρβαση του φράγματος του ήχου από τον Chuck Yeager το 1947, έως τις σύγχρονες αποστολές αεροδιαστημικής και την ανάπτυξη υπερ-υπερηχητικών οχημάτων. Στο πρώτο μέρος, η εργασία παρουσιάζει τη θεωρητική βάση των ιξωδών ροών. Η κατανόηση της συμπεριφοράς των ροών γύρω από στερεά σώματα απαιτεί την εισαγωγή του αδιάστατου αριθμού Reynolds (Re). Εξετάζεται η δημιουργία οριακών στρωμάτων γύρω από κινούμενα αντικείμενα, όπως περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Ludwig Prandtl, καθώς και το φαινόμενο του αποχωρισμού της ροής. Οι υπερηχητικές ροές παρουσιάζουν μια ιδιαιτερότητα που δεν υπάρχει στα υποηχητικά καθεστώτα: τα κρουστικά κύματα. Πρόκειται για ασυνέχειες, πάχους μόλις μερικών μικρομέτρων, όπου η πίεση, η θερμοκρασία και η πυκνότητα υφίστανται απότομες, έντονες μεταβολές. Όταν ένα αντικείμενο ή μια διαταραχή κινείται μέσα σε ρευστό ταχύτερα από την ταχύτητα διάδοσης του ήχου, το ρευστό δεν μπορεί να εκτραπεί ομαλά γύρω του· αντίθετα, η συμπίεση των μορίων συσσωρεύεται σε ένα αιχμηρό μέτωπο, δημιουργώντας το κρουστικό κύμα. Για την ποσοτικοποίηση των ιδιοτήτων της ροής γύρω από κρουστικά φαινόμενα, παρουσιάζονται οι σχέσεις Rankine–Hugoniot και η εκτόνωση Prandtl–Meyer. Ένας από τους στόχους της εργασίας είναι να αναδείξει τους τρόπους με τους οποίους οπτικοποιούνται τα φαινόμενα ροής μέσα σε αεροσήραγγες. Επειδή ο αέρας είναι αόρατος στον ανθρώπινο οφθαλμό, έχουν αναπτυχθεί ποικίλες μέθοδοι οπτικοποίησης που καθιστούν τις διαταραχές της ροής ευκολότερα αντιληπτές και, συνεπώς, κατανοητές. Οι μέθοδοι αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: χρήση ιχνηθετών (προσθήκη υλικών στο πεδίο ροής ή στην επιφάνεια του σώματος) και σε οπτικές μεθόδους (βασιζόμενες στο φως). Οι υπερηχητικές διαταραχές, που χαρακτηρίζονται από απότομες αυξήσεις πίεσης, οπτικοποιούνται καλύτερα μέσω οπτικών μεθόδων όπως η τεχνική Schlieren. Η μέθοδος Schlieren, που αναπτύχθηκε από τον August Toepler το 1864, καθιστά ορατές τις μεταβολές πυκνότητας με βάση την πρώτη παράγωγο του δείκτη διάθλασης (∂n/∂y). Η τεχνική αυτή έχει αποδειχθεί ανώτερη από τη μέθοδο σκιαγράφησης στην απεικόνιση λεπτών δομών ροής και αλληλεπιδράσεων μεταξύ κρουστικών κυμάτων. Ένα ακόμη κομμάτι της παρούσας εργασίας αφορά τον σχεδιασμό και την κατασκευή μιας νέας διάταξης Schlieren εξ’ ολοκλήρου από το μηδέν, για χρήση με την αεροσήραγγα του Εργαστηρίου Ρευστομηχανικής και Ρευστοδυναμικών Μηχανών του Πανεπιστημίου Πελοποννήσου. Η διάταξη περιλαμβάνει ένα ζεύγος σφαιρικών κατόπτρων, απλό φωτισμό LED και μηχανικά στηρίγματα που έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί με τρισδιάστατη εκτύπωση. Το σύστημα αυτό επιτρέπει την απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο και τη φωτογραφική καταγραφή υψηλής ανάλυσης κρουστικών κυμάτων, δομών εκτόνωσης και σύνθετων αλληλεπιδράσεων ροής μέσα στο υπερηχητικό τμήμα δοκιμών, χρησιμοποιώντας απλώς ένα smartphone ως κάμερα της διάταξης. Με την οπτική διάταξη έτοιμη, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις χρησιμοποιώντας τα μανόμετρα της αεροσήραγγας, τοποθετημένα κατά μήκος του λαιμού της διάταξης. Τα μανόμετρα δίνουν τη δυνατότητα προσδιορισμού του αριθμού Mach της ελεύθερης ροής σε 25 σημεία της σήραγγας. Μέσα από φωτογραφίες μιας συμμετρικής αεροτομής τύπου σφήνας στην υπερηχητική περιοχή, οι αριθμοί Mach εξήχθησαν από τις μετρούμενες γωνίες των κρουστικών κυμάτων, αλλά και από τις μετρήσεις πίεσης, και χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων της ροής τη συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Τα δεδομένα που αποκτήθηκαν σκοπεύουν στο να εδραιώσουν τη χρήση της μεθόδου Schlieren στην εκπαιδευτική διαδικασία, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ πειράματος και θεωρητικών υπολογισμών.