亜音速および遷音速風洞

亜音速風洞は、低マッハ数での操作に使用され、テストセクションでの速度は最大 480 km/h (約 134 m/s、M = 0.4) です。これらは、オープンリターンタイプ (エッフェルタイプとも呼ばれる) またはクローズドリターンフロー (プラントルタイプとも呼ばれる) です。これらのトンネルでは、空気を動かして動圧を高め、粘性損失を克服するために、大型の軸流ファンが使用されます。亜音速風洞の設計原理は、連続方程式とベルヌーイの定理に基づいており、これにより、トンネルの収縮率などの重要なパラメータを計算できます。

遷音速風洞(0.75 < M < 1.2) は亜音速風洞と同様の原理で設計されていますが、主にテストセクションの壁からの衝撃波の反射により、追加の課題があります。これを緩和するために、衝撃波の反射を減らすために穴あきまたはスロット付きの壁が使用されます。遷音速テストでは、マッハ数とレイノルズ数の両方が重要であり、適切にシミュレートする必要があります。これには、多くの場合、大規模な施設や加圧または極低温風洞の使用が必要になります。これらのトンネルは、飛行の重要な段階にある高速航空機や宇宙船など、 音速に近づくかそれを超える速度での物体の空力特性を研究するために不可欠です。

低速風洞は、非常に低いマッハ数での操作に使用され、テストセクションでの速度は最大480 km/h（約134 m/s、M = 0.4）です。^{[1] [2]これらは、オープンリターンタイプ（}エッフェルタイプとも呼ばれます、図を参照）またはクローズドリターンフロー（プラントルタイプとも呼ばれます、図を参照）であり、通常は大きな軸流ファンで構成される推進システムによって空気が動かされ、動圧を増加させて粘性損失を克服します。

動作原理は連続性とベルヌーイの方程式に基づいています。

連続方程式は次のように表されます。

${\displaystyle AV=constant\Rightarrow {\frac {dA}{A}}=-{\frac {dV}{V}}}$

ベルヌーイの方程式は次のように述べます:

${\displaystyle P_{total}=P_{static}+P_{dynamic}=P_{s}+{\frac {1}{2}}\rho V^{2}}$

ベルヌーイを連続方程式に代入すると次のようになります。

${\displaystyle V_{m}^{2}=2{\frac {C^{2}}{C^{2}-1}}{\frac {P_{settl}-p_{m}}{\rho }}\approx 2{\frac {\Delta p}{\rho }}}$

風洞の収縮率は次のように計算できます。 ${\displaystyle C={\frac {A_{settl}}{A_{m}}}}$

戻り流風洞では、戻りダクトは圧力損失を減らし、テストセクション内のスムーズな流れを確保するために適切に設計されなければなりません。圧縮性流れの領域: 再び連続性の法則を使用しますが、今度は等エントロピー流れの場合、次の式が得られます。

${\displaystyle -{\frac {d\rho }{\rho }}=-{\frac {1}{a^{2}}}{\frac {dp}{\rho }}=-{\frac {1}{a^{2}}}{\frac {-\rho VdV}{\rho }}={\frac {V}{a^{2}}}dV}$

1 次元の面積速度は次のように知られています。

${\displaystyle {\frac {dA}{A}}=(M^{2}-1){\frac {dV}{V}}}$

M=1 となる最小面積 A (音速喉面積とも呼ばれる) は、完全気体の場合次のように与えられます。

${\displaystyle \left({\frac {A}{A_{throat}}}\right)^{2}={\frac {1}{M^{2}}}\left({\frac {2}{\gamma +1}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)\right)^{\frac {\gamma +1}{\gamma -1}}}$

高亜音速風洞 (0.4 < M < 0.75) および遷音速風洞 (0.75 < M < 1.2) は、亜音速風洞と同じ原理で設計されています。最高速度はテスト セクションで達成されます。亜音速と超音速の流れ領域を組み合わせた場合のマッハ数は約 1 です。遷音速でのテストでは、主にテスト セクションの壁からの衝撃波の反射により、追加の問題が発生します (下の図を参照するか、右側のサムネイル画像を拡大してください)。したがって、壁からの衝撃反射を減らすために、穴あき壁またはスロット付き壁が必要です。重要な粘性または非粘性相互作用 (衝撃波や境界層相互作用など) が発生するため、マッハ数とレイノルズ数の両方が重要であり、適切にシミュレートする必要があります。大規模な施設および/または加圧風洞または極低温風洞が使用されます。

音速スロートでは、流れを加速または減速できます。これは、1D 面積速度方程式から得られます。超音速流への加速が必要な場合は、収束拡散ノズルが必要です。それ以外の場合は、次のようになります。

• 亜音速（M < 1）から収束${\displaystyle {\frac {dA}{dx}}}0\Rightarrow }$
• ソニックスロート（M = 1）${\displaystyle {\frac {dA}{dx}}=0}$
• 超音速（M >1）で発散${\displaystyle {\frac {dA}{dx}}>0\Rightarrow }$

結論：マッハ数は膨張比によって制御される${\displaystyle {\frac {A}{A_{喉}}}}$

• 風洞
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• 極超音速風洞
• ギュスターヴ・エッフェル
• オランダ国立航空宇宙研究所
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