بقلم آدم كهرامان

عند إجراء الاختبارات في نفق الرياح، ربما تتمنى لو كان الهواء مرئيًا. تخيل أنك قادر على رؤية التدفق الصفائحي والاضطرابي أثناء حدوثهما، دون فوضى الدخان أو الحاجة إلى تشغيل محاكاة ضخمة لديناميكا السوائل الحسابية (CFD). ماذا لو كانت هناك أداة تتيح لك «رؤية» الرياح في الوقت الفعلي؟

صُمم WindProbe لتحقيق هذه الأمنية. فهو يلتقط ملامح الرياح بدقة زمنية عالية من زوايا متعددة، بينما يحدد تتبع الحركة المدمج بالضبط المكان الذي تم فيه أخذ القياس.

في هذا المقال، نستعرض حالات استخدام الأداة، وكيفية عملها، والمكاسب العملية التي تقدمها في سير عمل اختبارات نفق الرياح الخاص بك.

جدول المحتويات

1. مقدمة
2. المشاكل الشائعة في قياس الرياح
3. كيفية عمل WindProbe 3D
4. تطبيق عملي: محاكاة رياح القص
5. خاتمة

الشكل 1: عرض كامل لمسبار WindProbe مع عواكس تتبع الحركة ظاهرة

المشاكل الشائعة في قياس الرياح

هناك طرق مختلفة لتصور التدفق، مثل استخدام آلة دخان أو ليزر أو خصلات. لكل منها مزايا وعيوب، لكن القيد الأكثر شيوعًا هو أنها تعتمد في المقام الأول على الملاحظة البصرية كوسيلة للقياس بدلًا من إنتاج بيانات كمية.

يضيف قياس تدفق الهواء حول جسم معين طبقة أخرى من المشاكل.

• يجب بناء الإعداد حول شكل ذلك الجسم.
• يجب تثبيت الخصلات على السطح.
• يجب توجيه الدخان إلى نقاط محددة حول الجسم.
• يجب ترتيب المسبارات حول الجسم.

من الاستخدامات الشائعة الأخرى لالأنفاق الهوائية التحقق من نتائج محاكاة CFD، لكن هذا أيضًا له مجموعته من المشاكل.

• يمكن أن تتسبب الاختلافات الصغيرة في الإعداد المادي في جعل تدفق الهواء الحقيقي يتصرف بشكل مختلف عما توقعته المحاكاة.
• لا توجد طريقة مباشرة للتحقق مما إذا كان الاثنان متطابقين بالفعل.
• دون وجود طريقة لقياس ملامح الرياح الكاملة، فإنك تفترض إلى حد كبير أن النقل كان دقيقًا.

كيفية عمل WindProbe 3D

على الرغم من التحديات المعقدة التي يحلها، فإن WindProbe نفسه يتميز بتصميم بسيط. إنه مستشعر ضغط متعدد الثقوب بخمسة ثقوب عند الطرف مع مخروط قبول بزاوية 40 درجة.

الشكل 2: WindProbe مع مخروط القبول بزاوية 40° ممثل بمقياس الرسم

يسمح مخروط القبول لـ WindProbe بقياس الرياح التي تصطدم بالطرف من زوايا مختلفة، ويلتقط ناقلات السرعة عبر المحاور x و y و z. على عكس أنبوب بيتوت، الذي يقيس فقط الرياح المتدفقة مباشرة إليه، يلتقط هذا التصميم متعدد الثقوب البيانات عبر مجموعة واسعة من الاتجاهات. هذه الميزة ضرورية عند قياس الرياح في الظروف المضطربة.

يبلغ تردد التقاط WindProbe 200 هرتز. تلتقط هذه الدقة الزمنية التفاصيل الدقيقة في سرعة الرياح، مما يضمن لك رؤية التغييرات السريعة دون فقدان نقاط البيانات بين القياسات.

إليك فيديو يوضح WindProbe قيد التشغيل:

يأتي المسبار بمعايرة مسبقة ويسهل إقرانه بـ WindShaper من خلال كابل USB واحد للاتصال والطاقة. يمكن للمسبار قياس سرعات رياح منخفضة تصل إلى 1 م/ث ومرتفعة تصل إلى 60 م/ث حسب الطراز.

يسمح لك التتبع المكاني لـ WindProbe بتحريك المسبار أثناء تسجيل البيانات ورسم القيم المسجلة في فضاء ثلاثي الأبعاد. وهذا يجعل من الممكن رسم خريطة لملامح الرياح عبر قسم الاختبار بأكمله، سواء على طول المحور المتجه نحو المصب أو عبر المحورين الرأسي والأفقي لمستوى معين. بدلًا من القياس في نقطة واحدة، يمكن التقاط الصورة الكاملة للرياح في قسم الاختبار. علاوة على ذلك، يمكن أخذ قياسات الرياح حول أي جسم في قسم الاختبار، سواء كان مروحة أو جناحًا أو طائرة بدون طيار.

الشكل 3: WindProbe يلتقط بيانات الرياح في الوقت الفعلي أثناء تتبعه في فضاء ثلاثي الأبعاد

ما يتيح تتبع WindProbe في فضاء ثلاثي الأبعاد هو علامات التقاط الحركة الموضوعة على طول ذراع المسبار. عند إقرانه بكاميرات التقاط الحركة، يتتبع النظام الموقع الدقيق للمسبار في فضاء ثلاثي الأبعاد. 

الشكل 4: علامات التقاط حركة OptiTrack على WindProbe

توضع نفس العلامات على WindShaper، مما يسمح للبرنامج بتتبع موقع المسبار بالنسبة لمصدر الرياح.

الشكل 5: علامات التقاط حركة OptiTrack على WindShaper

برنامج WindVision

يتم التعامل مع جميع بيانات WindProbe باستخدام برنامج WindVision، الذي يدير التتبع والقياس وتصور البيانات. لمساعدتك على وضع المسبار في المكان المطلوب، يحتوي المسبار على شريط LED مدمج يعمل كدليل في الوقت الفعلي. عندما تحدد مستوى قياس في البرنامج، تتغير ألوان مصابيح LED بناءً على موقعك: أحمر عندما تكون بعيدًا، أصفر عندما تقترب، وأخضر عندما تكون بالضبط على المستوى.

الشكل 6: شريط LED على WindProbe يضيء بالأحمر والأصفر والأخضر

يمكن لـ WindVision تصدير البيانات كملفات .csv أو .vtk، والتي يمكنك فتحها وتحليلها في برنامج مثل ParaView. في WindVision، تحدد أبعاد قسم الاختبار ومستوى القياس.

يسمح لك البرنامج أيضًا بتعديل الدقة المكانية لمستوى القياس هذا. يتم تقسيم المستوى إلى وحدات تسمى الفوكسلات. على غرار كيفية تحديد حجم صورة ثنائية الأبعاد ودقتها بواسطة البكسلات، فإن الفوكسل هو تمثيل ثلاثي الأبعاد لقيمة في الفضاء. يوفر زيادة الدقة، أي زيادة عدد الفوكسلات، تفاصيل بيانات أعلى ورؤية أعمق. يسمح لك خفض الدقة بإكمال القياس بشكل أسرع عن طريق ملء فوكسلات أقل، مما يوفر نظرة عامة أوسع للتدفق.

يمكن للنظام قياس ناقلات السرعة في أحجام صغيرة تصل إلى 1 سم3. عند هذا الإعداد الأصغر، يمكنك العمل مع ما يصل إلى 27 مليون فوكسل في مستوى القياس الخاص بك، مما يوفر تفاصيل عالية لملامح الرياح. 

تطبيق عملي: محاكاة رياح القص

لنفترض أنك تصمم طائرة بدون طيار مخصصة لتنظيف النوافذ في المباني العالية. غالبًا ما تزداد سرعة الرياح مع الارتفاع، لذا تتعرض الطوابق العليا للمباني العالية لرياح أقوى بكثير. عندما تصطدم هذه الرياح بالمبنى، فإنها تخلق تدرجات سرعة حادة يمكن أن تنتج رياح قص كبيرة، والتي قد يكون من الصعب على الطائرة بدون طيار التنقل فيها.

قبل القيام بهذه الرحلة فوق منطقة عالية الكثافة مع نوافذ باهظة الثمن، قد يرغب مشغل الطائرة بدون طيار في الحصول على بعض التدريب في هذه الظروف، دون المخاطرة بالطائرة أو المبنى.

الشكل 7: صورة مولدة بالحاسوب لرياح تصطدم بواجهة مبنى (المصدر)

لحسن الحظ، يمكن محاكاة هذه البيئة بسهولة باستخدام WindShaper. لإعداد وحدة 2x2 مثل الموضح في الشكل أدناه، يمكنك تشغيل وحدات المروحة اليسرى بسرعة 2 م/ث والوحدات اليمنى بسرعة 6 م/ث. هذا يخلق تدرجًا حادًا بين الجانبين، مما يحاكي رياح القص. ثم يتيح لك WindProbe تصور ملامح الرياح الناتجة عن WindShaper.

الشكل 8: برنامج WindVision يوضح رياح قص واضحة من WindShaper

من خلال وضع WindProbe أمام المراوح، يمكنك البدء في جمع البيانات. بينما تحرك المسبار عبر المستوى، يقوم البرنامج تلقائيًا بإنشاء تصور في الوقت الفعلي لملامح الرياح.

الخطوة التالية هي طيران طائرتك بدون طيار من اليسار إلى اليمين أمام الآلة لمعرفة كيفية استجابتها في هذه الظروف، والتدرب على استعادتها.

خاتمة

يقدم WindProbe نهجًا فريدًا لقياس الرياح ثلاثي الأبعاد للمهندسين والباحثين، محولًا الهواء غير المرئي إلى بيانات مقروءة. فهو يوفر مستوى من التحقق كان من المستحيل تحقيقه سابقًا دون معدات معقدة وباهظة الثمن. من خلال الجمع بين استشعار الضغط متعدد الثقوب وتتبع الحركة، فإنه يظل الأداة الوحيدة في السوق القادرة على رسم خريطة لملامح رياح ثلاثية الأبعاد كاملة في الوقت الفعلي.

الشكل 9: مسح WindProbe 3D لمجال التدفق خلف طائرة بدون طيار ذات جناح ثابت