Hava Tüneli Nedir?

Bir uçak ya da bir güdümlü mermiyle ilgili aerodinamik denemelerin yapılmasını sağlayan düzenek.

Uçak kanat takımının niteliğini uçuş sırasında ölçmek güç olduğundan.bu işlem hemen aracın yapımından sonra gerçekleştirilir. Bu nedenle, hava akımının dolandığı bir tünelden oluşan ve hava tüneli denilen düzenek içinde aerodinamik denemelerin yapılması yeğlenir.

Benzeşim Yasaları

Denemeler maketlerin üstünde yapılır. Gerçekten de, benzeşim yasaları Reynolds sayısıyla işlem yapılması durumunda gerçek büyüklükteki bir modelinkiyle eşdeğer sonuçların elde edileceğini gösterir. Bu sayı, modelin uzunluğu ve akışkanın hızıyla doğru, kinematik ağdalılığıyla (akışkanın ağdalılığıyla özgül ağırlığı arasındaki oran) ters orantılı olduğundan, benzer sonuçlar elde etmek için bu değerleri değiştirerek deney yapmak yeterlidir. Sözgelimi, 1/10’luk bir maket üstünde, havanın gerçek hızının 10 katı büyük bir hız kullanılması gerekir. Bu durumda modelin uzunluğuyla havanın hızının çarpımı sabit kalır. Ama, aynı zamanda, beş kat yüksek bir hava basıncı (dolayısıyla kinematik ağırlığın beş katı) ve gerçektekinden yalnızca iki kat yüksek bir hava akımı hızıyla da deney yapılabilir.

Ayrıca, ses hızının havanın hızından daha yüksek olduğu (1 200 km/s yerine 3 500 km/s) helyum gibi gazlarla işlem yapıldığında, denemeler çok yüksek hızlarda (şok dalgalarının ortaya çıkmasından rahatsız olmadan) gerçekleştirilebilir.

Sesüstü hızlarda, benzer sonuçlar elde etmek için denemeleri aynı Mach sayısıyla (akışkanın hızıyla sesin bu akışkan içindeki hızı arasındaki oran) yapmak gerekir. Bu durumda, denemeleri, içindeki ses hızının, havadakinden daha düşük (145 m/sn) olduğu freon gibi akışkanlarla yapmakta yarar vardır; böylece hava tünelinin gücünün azaltılması sağlanır.

Hava Tünellerinin Farklı Akış Hızlarına Uyarlanması

Fransız mühendisi Gustave Eiffel (1832-1923) tarafından tasarlanmış olan ilk hava tünelleri açık devrelidir. Bu hava tünellerinin içindeki hava akımını, tünelin çıkışına yerleştirilmiş olan pervaneli vantilatörler yaratır (Çiz. 1). 1930’da Caquot’nun bu ilkeye dayanarak yaptığı Chalais-Meudon hava tünelinin kesiti 8 m’ye 16 m’dir; bu, büyük boyutlu maket deneylerinin gerçekleşmesini sağlar. Günümüzde daha çok, ilkini Alman aerodinamikçisi Ludvvig Prandtl’ın (1875-1953) yaptığı, dönüşlü hava tünelleri kullanılmaktadır. Bu hava tünelleri, kapalı devre olarak çalışırlar; vantilatörlerin ya da kompresörlerin çektiği hava, tünelin içi’nde dolanır (Çiz. 2). Deneme bölgesinin girişinde, yakınsak bir boru, akış hızım artırmaya yarar. Deneme bölgesiyle vantilatörlerin arasında bulunan ıraksak bir yayındırıcı, maketin alt bölümündeki basıncı azaltır; bu da akış hızında bir artışa yol açar. Ama akış hızı ses hızını geçmez. Demek ki, bu tür hava tünelleri, sesaltı hızların incelenmesinde kullanılmazlar. Bunların, açık devreli hava tünellerine oranla başlıca üstünlüğü, daha yüksek hızlara olanak vermeleri ve havadan başka akışkanlardan da yararlanabilmeleridir.

Ses hızını aşmak için, maketten önce, İsveçli Gustaf De Laval’ın (1845- 1913) buharlı türbinleri incelemesi sırasında kullandığı türden yakınsak ıraksak bir borunun bulunması gerekir. Böyle bir boruyla, ıraksak olanın içinde sesüstü bir akışın gerçekleştirilmesi sağlanmıştır. En yüksek verimi elde etmek için, borunun geometrik nitelikleri, incelenen hız değerinin fonksiyonu olmalıdır. Bu amaçla, farklı sistemler düzenlenmiştir: Çeperi biçim değiştirebilen borunun kullanılması; borunun boğaz bölümüne, yanlamasına bir tıpanın yerleştirilmesi; yüzlerinden biri hareketli olan bakışımsız bir borunun kullanılması. Sesüstü hava tünelleri kesintili olarak işleyebilirler; böylece kullanılan gücün azaltılması sağlanır. Sesyakını hızların incelenmesi sonucu, özel hava tünelleri gerçekleştirilmiştir; bu hava tünellerinde, deneme odalarının çeperlerinde üçgen biçimli delikler açılmış ve böylece havanın bir bölümünün maketin dışına akması, dolayısıyla bir boşaltıcının etkisiyle aşağı devreye ulaşması sağlanmıştır. Ses ötesi hızlara (Mach 5’in üstü) erişilmesi, kullanılan akışkanda önemli bir genleşmeyi gerekli kılar. Bu genleşmeyse, sıvılaşmaya neden olabilecek bir sıcaklık azalmasına eşlik eder. Böyle bir olayı önlemek için, sıvılaşma sıcaklığı havanınkinden (-190°C) çok daha düşük olan helyum (-268,9°C) gibi akışkanlar kullanılır. Ayrıca, akışkana, genleşmesinden önce bir ısıtma işlemi de uygulanabilir; bu da, helyumun Mach 20 hızına ulaşmasını sağlar.

Hava Tünelinde Yapılan Ölçümler

Bir hava tünelinin içindeki maket üstünde oluşturulan aerodinamik kuvvetlerin ölçümü, bir aerodinamik terazi yardımıyla gerçekleştirilir. Bu ölçümlerden gelecekteki uçak modelinin nitelikleri (kalkış hızı, yükseliş hızı, yakıt ikmali yapmadan alacağı yol, vb.) çıkarılabilir ve maketin geometrik görünüşü değiştirilerek bu nitelikler daha da yetkinleştirilebilir. Sesüstü hızlarda, farklı yöntemler akışın niteliklerinin ölçülmesini sağlarlar. Bu yöntemler, ışığın kırılma indisinin, ortamın yoğunluğuyla değişmesine dayanır; bu da akışın gözle görülmesini ve fotoğraflarının çekilebilmesini sağlar. Hava tünellerinden başka düzenlemeler, maketlerle ilgili aerodinamik denemelerin gerçekleştirilmesine olanak verir. Atış tünelleri, deneme maketini ileriye doğru iten sıkıştırılmış gazlı (hidrojen ya da helyum) namlulardan oluşur. Yörünge, çok yüksek hızlı özel kameralar (saniyede milyonlarca görünüm) yardımıyla saptanır. Şok tüpleri, biri çok düşük, öbürü çok yüksek basınçlı iki bölgeyi ayıran bir diyaframla donatılmış silindirlerdir. Yüksek basınçlı bölgedeki bir elektrik yükü boşalması, akışkanın ısınma etkisi altında diyaframın kırılmasına yol açar; bu da sesüstü bir akışı oluşturan bir şok dalgasına neden olur.

Hava tünelindeki denemeler, çoğu kez 100.000 BG’nü geçen yüksek güçlerin kullanımını gerektirir. Bunlar profilin ve uçakların kanat takımlarının en uygun boyutlarıyla belirlenmesini sağlarlar. Ancak, elde edilen sonuçların gene de gerçek uçuş denemesi sırasında maketler ya da prototipler üstünde doğrulanması gerekir.