Una galleria del vento è un'apparecchiatura che viene utilizzata per studiare l'andamento di un flusso di un gas (tipicamente aria) attorno ad un corpo.
Le misure che si effettuano sono tipicamente misure di: velocità globali e locali del flusso, misure di pressione, di temperatura e forze esercitate dal fluido sul corpo, si effettuano anche prove ottiche sui modelli, iniettando nel fluido particolari coloranti, o attaccando ai modelli dei fili di lana capaci di seguire l’andamento dei flussi.
Le gallerie del vento si basano sul cosiddetto principio di reciprocità ; e cioè dal punto di vista del valore delle grandezze fisiche che vengono misurate e dell'andamento dei flussi sul corpo, è assolutamente indifferente accelerare il fluido o l’oggetto da studiare.
Le gallerie del vento si dividono in due grandi categorie: gallerie a ciclo aperto e gallerie a ciclo chiuso.
Gallerie a ciclo aperto [modifica]
Le gallerie a ciclo aperto sono composte generalmente da un una bocca, da un condotto a sezione costante (generalmente a sezione o circolare o rettangolare) dove sono posti alcuni dispositivi atti a controllare la qualità del flusso. A questo condotto ne segue un altro (a sezione circolare o rettangolare) di tipo convergente, il quale termina nel punto di inizio della camera di prova che è a sezione costante e dove viene inserito il modello dell'oggetto di cui si vuole studiare la fluidodinamica; nella camera di prova la velocità del fluido è la più elevata, e precisamente deve essere al massimo quella di progetto.
Alla camera di prova segue un condotto divergente (generalmente a sezione circolare) che è chiamato divergente o diffusore. Ad un determinato punto ben preciso del divergente è presente il motore, elettrico e carenato, a cui sono collegate una o più ventole. Le ventole hanno il compito di trasferire l'energia cinetica, generata dal motore, al fluido. A questi componenti segue un'ulteriore espansione del flusso (attraverso un ulteriore divergente) e successivamente l'espulsione del flusso nell'ambiente esterno.
Importante tener conto che le ventole, che hanno il compito di trasferire al fluido l'energia cinetica fornita dal motore, sono posti a valle della camera di prova; questo perché le ventole, oltre a fornire al fluido l'energia cinetica necessaria, generano anche una serie di vortici e turbolenza la cui presenza in camera di prova, e perciò sul modello, andrebbero completamente ad alterare il valore delle misure effettuate.
Gli svantaggi di una galleria aperta sono la rumorosità e l’apparente perdita di energia che si ha a causa dello scarico in atmosfera del fluido accelerato. In realtà quest’ultimo svantaggio non si verifica del tutto. Questo perché se si unisse l’uscita del flusso dalla galleria con l’ingresso e si realizzasse quindi una galleria chiusa (come sotto descritta) si verificherebbero perdite di carico (cioè perdite di energia del fluido dovute all'attrito), questo spiega perché ancora esistono e sono utilizzate, in caso di prove a modeste velocità , le galleria del vento a ciclo aperto.
Uno svantaggio ben più consistente di quello appena descritto è il fatto che la camera di prova è chiusa e la pressione al suo interno è più bassa di quella esterna (si veda a tal proposito il teorema di Bernoulli) proprio a causa di questo, la camera di prova deve essere sigillata in maniera perfetta, questo perché in caso contrario si avrebbe un’infiltrazione di fluido dall’esterno che, essendo a pressione maggiore, penetrerebbe nella camera alterando significativamente l’andamento dei flussi in camera di prova e quindi le misure effettuate.
Gallerie a ciclo chiuso [modifica]
Le gallerie a ciclo chiuso hanno le stesse componenti fin ora elencate per le gallerie a ciclo aperto, la differenza risiede nel fatto che mentre nella galleria a ciclo aperto il fluido, a valle della ventola viene espulso all'esterno, nelle gallerie a ciclo chiuso il fluido viene riutilizzato e riportato all'altezza della bocca d'ingresso e quindi rimesso in circolo nella galleria attraversando di nuovo tutte le componenti sopra citate. I vantaggi rispetto alla soluzione aperta sono nella possibilità di variare le caratteristiche del fluido usato, (pressione, temperatura, umidità , viscosità del fluido e così via) e di poter utilizzare una camera di prova aperta o semiaperta, con notevoli semplificazioni in termini di logistica nel posizionare i modelli da provare. Le gallerie a ciclo chiuso devono però essere equipaggiate con scambiatori di calore e radiatori capaci di raffreddare il fluido che man mano che scorre si riscalda in maniera consistente, con la possibilità di alterare le misure effettuate.
Un'importante e interessante caratteristica delle gallerie a ciclo chiuso è quella di poter variare i valori di pressione, temperatura e densità del fluido, al contario delle gallerie aperte.
Un’altra classificazione delle gallerie del vento distingue queste ultime rispetto alla velocità del flusso in camera di prova:
gallerie subsoniche incomprimibili se il numero di Mach della corrente è compreso tra 0 e circa 0,3;
gallerie subsoniche comprimibili se il Mach della corrente è compreso tra circa 0,3 e circa 0,8;
gallerie transoniche se il Mach della corrente è compresa tra 0,8 e 1,2;
gallerie supersoniche se il Mach della corrente è compreso tra 1,2 e 5;
gallerie ipersoniche se il Mach della corrente è superiore a 5.
Le caratteristiche sono radicalmente diverse, anche se alcune componenti sono simili. Le gallerie del vento subsoniche sono tutte alimentate da un ventilatore, le gallerie supersoniche invece sono quasi tutte senza ventilatore, e sono di tre tipi.
Il primo tipo prevede, per realizzare un flusso supersonico, un grande serbatoio a valle della camera di prova, dentro al quale si realizza un vuoto spinto. Per effettuare la prova si apre una valvola e il gas fluisce velocissimamente attraverso un condotto appositamente sagomato, dall’ambiente esterno verso il serbatoio che si sta aprendo.
Un altro tipo di galleria del vento supersonica si può realizzare riempiendo a pressione un grande serbatoio a monte della camera di prova, per realizzare il flusso supersonico si apre così una valvola e il gas fluisce velocissimamente dal serbatoio ad alta pressione verso la camera di prova.
Questi tipi di gallerie hanno l’inconveniente di realizzare un flusso intermittente, cioè in tutti e due i tipi di gallerie appena analizzate, aperte le valvole dei serbatoi, essi si svuotano o si riempiono e quindi è necessario un certo tempo (nel quale non si può provare), per riportare i serbatoi nelle condizioni iniziali.
Questo inconveniente può essere superato con il terzo tipo di galleria supersonica, che si può realizzare come una galleria tradizionale chiusa. Questo però comporta enormi difficoltà e costi esagerati perché esistono problemi notevoli nelle fasi di avviamento della galleria, è quindi necessaria una configurazione a geometri variabile della galleria.
Si ricorda che il comportamento di un flusso supersonico è radicalmente diverso da un flusso subsonico, questo comporta che alcune componenti devono essere realizzate diversamente, ad esempio prima della camera di prova sarà messo un condotto convergente-divergente e non solo convergente perché con il condotto convergente si realizza un flusso sonico, che con il condotto divergente, diventerà supersonico. Si ricorda inoltre che in un flusso supersonico se la sezione del condotto aumenta, la velocità va aumentando e non diminuendo come accade per un flusso subsonico.
Le gallerie supersoniche sono utilizzate principalmente per visualizzare le onde di Mach e di Shock che si creano sugli oggetti o in prossimità di essi. Inoltre diventa un parametro fondamentale per le simulazioni, l’effetto della temperatura del gas che non è più trascurabile così come le variazioni di densità che, già per velocità nell'ordine di Mach 0,3, non sono più trascurabili.
Dimensioni [modifica]
Le gallerie del vento hanno dimensioni variabili a seconda delle esigenze. Prendendo per esempio le camere di prova, si va da galleria con dimensioni al di sotto del metro quadro di sezione, fino all’enorme galleria del vento della NASA di Ames con camera di prova di 24x36 metri. Lo sviluppo delle gallerie del vento ha avuto un’enorme accelerazione durante la Guerra Fredda grazie anche agli enormi capitali investiti dai governi Russi e Statunitensi. In queste nazioni si trovano le gallerie del vento più grandi e potenti, alcune capaci di arrivare fino a Mach 25 per i test delle navicelle spaziali al ritorno sulla terra.
Naturalmente il costo di costruzione e di utilizzazione di una galleria del vento, varia secondo le dimensioni e le caratteristiche sia del flusso che si realizza, sia delle caratteristiche geometriche stesse della galleria. Si avrà così che le gallerie a ciclo aperto sono le più semplici e hanno prestazioni limitate, ma sono più economiche, mentre gallerie a ciclo chiuso avranno costi più alti sia di manutenzione che di costruzione e di utilizzo, ma una qualità del flusso molto elevata.
Applicazioni [modifica]
Tipicamente nelle gallerie del vento vengono provati aeroplani, automobili, camion, treni, elicotteri,e anche se in misura minore, motociclette. Provano in galleria anche ciclisti, sciatori e atleti per gare su ghiaccio come per i bob e i pattinatori, oppure in particolari gallerie del vento anche gli atleti che lanciano dagli aeroplani per stabilire record di volo senza paracadute. Si provano anche edifici, ponti, generatori eolici, portaerei e in generale tutti i veicoli e oggetti che si muovono nell’aria.
à possibile effettuare la prova di aeroplani (se la galleria è chiusa) variando le caratteristiche del fluido in termini di tem