Rekordowo szybkie bańki mydlane w tunelu aerodynamicznym Łukasiewicz – ILOT

Strumień ogromnej liczby mikroskopijnych baniek mydlanych z helem, pędzących z prędkością 352 km/h, pozwala badaczom z Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa tworzyć dokładne, trójwymiarowe mapy przepływu powietrza wokół badanych obiektów.

Zanim zbudowany zostanie prototyp samolotu bądź samochodu, należy sprawdzić na modelu jego charakterystyki aerodynamiczne. A zanim zainstaluje się nowe śmigła w turbinach wiatrowych – dobrze wiedzieć, czy generują odpowiednią moc. Do takich testów opływowości służą tunele aerodynamiczne. Bada się w nich, w jaki sposób przepływające powietrze oddziałuje na szybko poruszające się obiekty. Zamiast jednak rozpędzać same przedmioty i jeździć za nimi z kamerą, w tunelach aerodynamicznych rozpędza się do huraganowych prędkości powietrze, które opływa nieruchomy przedmiot. Zasada aerodynamiki pozostaje taka sama, ale eksperyment można znacznie lepiej kontrolować.

Czasem w badaniach tego typu pojawia się wyzwanie: jak zobaczyć ruch powietrza w każdym miejscu wokół obiektu? Przecież powietrze jest przezroczyste. Dotąd w tunelach aerodynamicznych stosowano zwykle tzw. mgłę olejową, która przypomina dym stosowany na dyskotekach. Pomysł ten ma jednak swoje ograniczenia. Stąd pomysł wykorzystania baniek mydlanych doskonale widocznych w strumieniu powietrza.

Zwykła bańka unosi się tylko przez chwilę, ponieważ ciężar płynnej błony mydlanej sprawia, że prędzej czy później opadnie. Gdyby z kolei nadmuchać bańkę helem, uniesie się ona do góry jak balonik. Tymczasem w tunelach aerodynamicznych potrzeba baniek o gęstości idealnie równej gęstości powietrza – działające na nią siła wyporu i ciążenia powinny być równe. Odpowiednio mała bańka z helem (o średnicy ułamka milimetra) porusza się zaś idealnie zgodnie z ruchem unoszącego ją powietrza.

Jeśli taką niesioną podmuchem chmurę baniek oświetli się szybkimi błyskami światła laserowego (stroboskopowo) - widać, jak cząstki zmieniają położenie na kolejnych kadrach. Na tej podstawie można obliczyć ich prędkość w poszczególnych miejscach. W ten sposób powstaje pole przepływu, czyli dokładna, trójwymiarowa mapa pokazująca, gdzie powietrze wokół obiektu spowalnia, gdzie przyspiesza i jakie osiąga wartości. Taka technika znana jest na świecie jako 3D-PTV (ang. Particle Tracking Velocimetry).

W zastosowaniu tej metody polski tunel aerodynamiczny T-3 w Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa należy do światowej czołówki.

Udało się tam wytworzyć strumień milionów submilimetrowych baniek mydlanych na sekundę. Poruszały się one z prędkością 352 km/h, a przekrój tego strumienia wynosił ok 50 x 100 cm kwadratowych.

1Obraz cząstek wokół obiektu do analizy PTV; W. Stryczniewicz, Application of Helium Filled Soap Bubbles and STB for 3D PIV investigations of large-scale passive flow control devices, 22nd International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanic – Jeszcze przed pięcioma laty na świecie możliwości pomiarowe anemometrii obrazowej były ograniczone do przestrzeni o rozmiarach kartki A4. Natomiast ostatni rozwój techniki baniek mydlanych wypełnionych helem (ang. Helium Filled Soap Bubbles, HFSB) oraz zaawansowanych algorytmów wyznaczania pola przemieszczeń z ruchu cząstek pozwolił na znaczące zwiększenie objętości pomiarowej. Mówimy tu już o wielkości do metra sześciennego – wyjaśnił w rozmowie z PAP dr Wit Stryczniewicz z Łukasiewicz – ILOT.

Zdaniem badacza główną zaletą stosowania baniek z helem jest to, że odbijają dużo światła, a więc są dobrze widoczne dla kamer.

– W technikach opartych na wizualizacji cząstek standardowo stosowana była mgła olejowa, która wygląda jak dym na dyskotece. Cząstki tej mgły mają jednak wielkość około 2 mikrometrów. Podświetlana nawet bardzo silnym laserem, odbijała na tyle mało światła, że płaszczyzna pomiarowa mogła mieć najwyżej 20x10 cm kwadratowych. Tymczasem bańki mydlane wypełnione helem mają wielkość submilimetrową – około 400 mikrometrów – a pojedyncza bańka odbija od 10 tysięcy razy więcej energii promieniowania laserowego niż stosowana wcześniej mgła – podkreślił naukowiec.

Rekonstrukcja przestrzennego rozkładu pozycji cząstek - wynik analizy STB. Kolor cząstek odpowiada ich prędkości; W. Stryczniewicz, Application of Helium Filled Soap Bubbles and STB for 3D PIV investigations of large-scale passive flow control devices, 22nd International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanic Nowe techniki pozwalają więc zwiększyć objętość pomiaru i przejść na skalę przemysłową. Badacze są w stanie wizualizować w szczegółach całe obszary przepływu, na przykład nad gondolą silnikową w modelu samolotu.

– Każdą z tych cząstek trzeba wygenerować w specjalnej, mikrofluidycznej dyszy: centralnym kanałem płynie hel, jednocześnie podawane jest mydło, a zewnętrzny kanał dostarcza powietrze, które odcina bańki. Takich dysz mamy aż 200 – opisał dr Stryczniewicz.

Jak dodał ekspert, bańki są w stanie przetrwać po kilka minut, ale muszą być generowane na bieżąco, razem ze strumieniem powietrza. Zamiast zwykłego płynu do naczyń stosowany jest specjalny preparat o ściśle określonych parametrach.

Trudność polegała na tym, że metoda śledzenia cząstek do niedawna nie była wystarczająco efektywna dla tak gęstych strumieni baniek. Rozwój algorytmów Shake-the-box, umożliwił jednak ich precyzyjne monitorowanie. Duża gęstość cząstek pozwala uzyskać bardzo wysoką rozdzielczość pomiaru, rzędu milimetrów – wektor obok wektora.

Eksperymenty odbywają się w tunelu aerodynamicznym T-3 Łukasiewicz - ILOT, który niedawno przeszedł modernizację. Średnica strumienia powietrza w tunelu wynosi 5 metrów, a prędkość powietrza może sięgać 100 metrów na sekundę, czyli około 360 kilometrów na godzinę – co jest wartością porównywalną z prędkością bolidu Formuły 1.

Tunel aerodynamiczny w Łukasiewicz – ILOT działa od 70 lat. W przeszłości testowano w nim m.in. samoloty PZL-104 Wilga i M18 Dromader, budynki wysokościowe, a także polską rakietę Bursztyn, która w 2024 roku sięgnęła granicy kosmosu. Trenowała tu też dawniej m.in. polska kadra skoczków narciarskich.

– Skoczek był unoszony przez strumień powietrza, a trener z boku dawał mu wskazówki, jak ma poprawić pozycję. Normalny lot na skoczni trwa parę sekund, a tutaj skoczkowie mogli lecieć tak długo, aż się zmęczyli. To wytrzymałość skoczka limitowała więc czas lotu, a nie sama skocznia – wspomniał dr Stryczniewicz. (PAP)

Ludwika Tomala

lt/ zan/

Fizyka

Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.

Czytaj cały artykuł u źródła — Nauka w Polsce