Bagaimana model terowongan angin digunakan saat merancang pesawat supersonik?

Ada dua hal yang terlibat: drag gelombang dan pemisahan lapisan batas. Seret gelombang tergantung pada nomor Mach sedangkan yang terakhir tergantung pada jumlah Reynolds dari aliran. Sangat mudah untuk mempertahankan nomor Mach yang masuk karena tidak tergantung pada geometri; Namun, angka Reynolds tergantung pada geometri model.

Jika udara digunakan sebagai media, maka dengan asumsi bahwa aliran harus dipertahankan pada bilangan Mach yang konstan, dan akan diperbaiki oleh hubungan dinamis gas. cukup banyak di luar kendali kami, jadi satu-satunya parameter tidak tetap adalah .$\rho$$u$$\mu$$d$

Karena jauh lebih kecil untuk model daripada untuk pesawat nyata, aliran akan memiliki lebih rendah daripada pesawat nyata. Ini akan memberikan karakteristik pemisahan aliran yang berbeda untuk model daripada untuk pesawat nyata.$d$$\text{Re}$

Dalam pengujian subsonik, satu-satunya hal yang penting adalah , yang dapat disetel agar sesuai dengan ukuran aktual dengan mengutak-atik untuk diberikan . Tetapi dalam aliran supersonik, kita tidak memiliki kemewahan itu, karena ditentukan oleh jumlah Mach dari aliran yang masuk.$\text{Re}$$u$$d$$u$

Jadi bagaimana model terowongan angin digunakan untuk desain pesawat, pesawat ruang angkasa dan rudal? Apakah ada teknik koreksi untuk memprediksi pemisahan aliran yang lebih baik? Bisakah teknik yang sama digunakan untuk menangani data CFD?

Dalam komunitas Fluid Dynamics sekitar 40 tahun yang lalu, kelompok ini dibagi menjadi beberapa eksperimentalis dan ahli teori. Namun, pada saat itu CFD cukup baru, harus dijalankan pada superkomputer yang mahal, dan tidak dapat dipercaya. Sudah cukup umum bahwa ahli teori atau eksperimental terbaik akan mengabaikan hasil CFD, sementara yang lain mungkin benar-benar mengabaikan hasil CFD sebagai tidak berguna. Bahkan, mantan penasihat PhD saya Dr. David Whitfield, adalah salah satu pelopor awal penggunaan CFD bersama eksperimen aerodinamika di Arnold Engineering Development Complex (AEDC). Referensi ini menjelaskan dengan baik pemikiran tentang CFD pada masa itu:

Di AEDC, CFD digunakan untuk melengkapi pengujian terowongan angin, tetapi menurut Dr. Whitfield, tidak banyak orang yang percaya pada CFD pada awal 1970-an.

"Sebenarnya," katanya, "upaya saya untuk mempromosikan CFD dalam AEDC pada awal 1970-an mungkin membuat saya ditendang keluar, atau melalui, sebagian besar pintu mahoni. Namun, ketika CFD digunakan untuk menjelaskan sumber masalah angularitas aliran di bagian uji 16T, dan ketika anggota AEDC Fellow CFD Dr. John Adams di VKF menjelaskan bagaimana sebuah terowongan benar-benar beroperasi di Mach 12 dan bukan Mach 16 seperti yang diperkirakan sebelumnya, CFD menemukan kehidupan baru. "

"Saya pernah diberitahu bahwa 'AEDC adalah tempat uji-data, dan tidak ada tempat untuk CFD,'" jelasnya. "Tujuan kami adalah untuk membantu mereka yang menjalankan terowongan untuk dapat melakukan pekerjaan mereka dengan lebih baik. Saya tidak berpikir AEDC seharusnya hanya menjadi tempat 'data uji'. Sebaliknya itu harus menjadi tempat untuk solusi dan pemahaman fisik dari masalah. , dan ini dapat dicapai dengan lebih baik dengan kerja sama timbal balik antara mereka yang berfokus pada eksperimen dan mereka yang berfokus pada angka. "

Pada masa itu, umumnya perancang akan merancang prototipe baru dan mengirimkannya ke terowongan angin untuk diuji, dan mungkin beberapa CFD akan dilakukan pada saat yang sama. Biasanya akan ada banyak prototipe yang dibangun dan diuji, yang sangat mahal. Salah satu fasilitas eksperimental di mana saya dulu bekerja dikenakan biaya $ 16.000 pengujian per hari. Di sisi lain, dengan pengembangan kode CFD open source yang kuat, seperti OpenFoam, dan komputer cluster, simulasi CFD cukup murah.

Jadi, seiring waktu CFD mulai matang, dan dengan mempopulerkan komputer cluster menjadi cukup layak untuk dijalankan dengan murah. Dengan semakin banyak validasi dengan eksperimen yang diterbitkan dalam jurnal seperti AIAA Journal, model CFD mulai semakin dipercaya. Saat ini, biaya menjalankan eksperimen jauh lebih mahal daripada menjalankan simulasi CFD. Oleh karena itu, lebih banyak simulasi CFD digunakan pada tahap desain awal, dengan banyak iterasi bolak-balik, dan bahkan hari ini optimasi desain berbasis CFD (CDO) sering digunakan dalam proses desain.

Saat ini, menurut pemahaman saya bahwa terowongan angin digunakan akhir-akhir ini terutama karena alasan-alasan berikut: (1) menguji prototipe final, dan (2) melakukan penelitian mendasar dalam aliran supersonik, terutama untuk mengembangkan model numerik yang lebih akurat.

Mengenai mencapai kesamaan aliran, ketika Anda memiliki dua angka non-dimensi yang berbeda, seperti Nomor Reynolds dan nomor Mach, pencoba harus memilih nomor mana yang paling penting untuk dicocokkan. Untuk aliran subsonik, bilangan Reynolds harus digunakan, sedangkan untuk aliran transonik dan supersonik, bilangan Mach harus digunakan.

Sering kali seseorang tidak dapat mencocokkan nomor Reynolds dari prototipe yang sebenarnya dengan menggunakan tes model di terowongan angin. Pertimbangkan misalnya 747 yang memiliki jumlah Reynolds 2.000.000.000 ( referensi ). Hampir tidak mungkin untuk menghasilkan terowongan angin yang dapat menandingi jenis bilangan Reynolds ini. Orang-orang telah mencoba meningkatkan angka Reynolds dengan menurunkan suhu dan menggunakan gas dengan kepadatan rendah pada suhu rendah. Misalnya, terowongan angin transonik Eropa (ETW) adalah salah satu terowongan angin cryogenic terbesar di dunia, yang menggunakan nitrogen sedingin -196$^{\circ}$C, tetapi hanya mencapai jumlah Reynolds maksimum 50 juta per meter. Dengan panjang bagian uji maksimal 9 meter, jumlah Reynolds maksimum yang mungkin adalah 450.000.000, masih kurang dari setengah dari Boeing 747. Dalam kasus ini, orang-orang telah mengembangkan hukum penskalaan untuk menangani bagaimana meningkatkan hasil hingga lebih besar Nomor Reynolds. Penskalaan terutama berkaitan dengan ketebalan lapisan batas, yang juga mempengaruhi hal-hal lain seperti gesekan kulit, dan akhirnya mengangkat dan menarik. Ada konferensi khusus yang diadakan di Universitas Princeton pada tahun 2003 untuk membahas masalah ini. Hasil konferensi itu adalah buku ini: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3

Dari pengalaman saya, eksperimen hanya digunakan untuk:

• memvalidasi metode numerik
• menyelesaikan fitur aliran yang tidak ditangkap dengan benar oleh CFD (misalnya aliran tidak stabil, perbedaan panjang dan skala waktu, interaksi struktur cairan)

Seperti yang dikatakan @Wes, kualitas dan keakuratan CFD modern begitu tinggi dikombinasikan dengan kekuatan komputasi cluster modern sehingga konduksi percobaan sederhana biasanya tidak layak lagi.