بقلم لاورين ناجيل
النفق الهوائي هو معدة قيمة لتحديد الخصائص الديناميكية الهوائية للأجسام. هناك عدة أنواع من الأنفاق الهوائية التي تعمل بطرق مختلفة.
سنتناول في هذا المقال:
- كيفية عمل الأنفاق الهوائية
- أنواع الأنفاق الهوائية (السرعة، والعودة المفتوحة مقابل المغلقة، والهواء الطلق، وديناميكا السوائل الحسابية)
- كيفية استخدام الأنفاق الهوائية لتصميم الطائرات
- مقارنة بين أنواع الأنفاق الهوائية
1. كيفية عمل الأنفاق الهوائية
الأنفاق الهوائية أداة ممتازة لإنتاج تدفقات هوائية في بيئة محكومة لمحاكاة ظروف الطيران.
باستخدام مروحة واحدة أو أكثر لدفع الهواء فوق جسم ما، يمكن تصور التفاعل بين الجسم وتدفق الهواء المحيط به من أجل التنبؤ بخصائصه الديناميكية الهوائية.
الشكل 1: تركيب نموذج طائرة في منطقة الاختبار في نفق هوائي
في اختبارات الأنفاق الهوائية التقليدية، يتم توليد الرياح بواسطة مروحة وتمريرها عبر منطقة اختبار حيث يتم تركيب الجسم المراد اختباره. وتختلف الأنفاق نفسها في الحجم والشكل.
معظم الأنفاق الهوائية ذات عودة مفتوحة أو مغلقة. ولبعض الاختبارات فوق الصوتية، قد تُستخدم أيضًا أنفاق من نوع نفخ الهواء، والتي تعتمد على فرق الضغط بين حوض عالي الضغط قبل منطقة الاختبار وخزان منخفض الضغط بعدها.
قد تستخدم اختبارات الأنفاق الهوائية مزيجًا من مستشعرات ضغط الهواء، وموازين القوة، والمؤشرات المادية مثل الدخان والزيت والطلاء لتحديد كيفية تفاعل الجسم مع تدفق الرياح.
تشمل الطرق المتقدمة الطلاء الحساس للضغط، والذي يتغير لونه مع تغيرات الضغط، وتصوير سرعة الجسيمات، والذي يستخدم شريحة ليزر لتتبع سرعة الجسيمات المارة عبر مستوى في منطقة الاختبار.
الشكل 2: اختبار طائرة كاملة الحجم تابعة للبحرية الأمريكية في نفق هوائي
2. أنواع الأنفاق الهوائية
هناك عدد من الطرق لتحديد أنواع الأنفاق الهوائية المختلفة، مثل السرعة، والتكوين، والأسلوب، والناتج.
سرعة النفق الهوائي
تُصنف الأنفاق الهوائية التقليدية حسب سرعة الهواء المار عبر قسم الاختبار بالنسبة لسرعة الصوت (ماخ 1). وتُقسم إلى أربع فئات: دون الصوتية (ماخ <0.8)، وشبه الصوتية (ماخ 0.8 – 1.2)، وفوق الصوتية (ماخ 1.2 – 5.0)، وفوق الصوتية الفائقة (ماخ >5.0).
تعتمد حدود الفئات على مقدار تأثيرات الانضغاطية التي يجب مراعاتها في الرحلات عند تلك السرعة.
كلما تحركت الأجسام بسرعة أكبر، فإنها تضغط الغازات المحيطة بها، مما يغير كثافة السائل ويغير مقدار القوة المؤثرة على الطائرة.
لا يحدث هذا التأثير عند السرعات دون الصوتية، ولكنه له تأثيرات فريدة عند السرعات شبه الصوتية وفوق الصوتية وفوق الصوتية الفائقة، ومن هنا جاء التصنيف.
العودة المفتوحة مقابل المغلقة
تأتي الأنفاق الهوائية في تكوينات عديدة، ولكن الأنفاق ذات العودة المفتوحة والمغلقة هي الأكثر شيوعًا، وتختلف في شكلها وكيفية تدوير الهواء.
الأنفاق الهوائية المفتوحة لها نهايات مفتوحة على كلا جانبي قسم الاختبار وتجمع الهواء من البيئة التي يقع فيها النفق.
بمجرد مرور الهواء عبر قسم الاختبار وخروجه من أحد طرفي النفق، يتم إعادة تدويره عبر الغرفة إلى مدخل النفق حيث يمكنه إعادة الدخول إلى النفق (الشكل 3).
يُعرف النفق الهوائي المفتوح ذو قسم الاختبار المفتوح أيضًا باسم «نفق إيفل»، نسبة إلى غوستاف إيفل الذي استخدم النفق الهوائي الخاص به في باريس لدراسة خصائص الرفع على الجناح الهوائي.
يُعرف النفق المفتوح ذو قسم الاختبار المغلق أيضًا باسم «نفق NPL»، نسبة إلى المختبر الوطني للفيزياء حيث استُخدمت لأول مرة.
الشكل 3: نفق هوائي بعودة مفتوحة (grc.nasa.gov)
تستخدم الأنفاق الهوائية المغلقة دائرة ذاتية تعيد تدوير الهواء داخل النفق عبر قسم الاختبار (الشكل 4).
النفق ليس مفتوحًا على بيئة الاختبار المحيطة بالجهاز، لذلك يتم تدوير نفس الهواء مرارًا وتكرارًا. تساعد شفرات التوجيه على إنشاء تغييرات أكثر سلاسة في اتجاه تدفق الهواء في جميع أنحاء النفق.
تُعرف الأنفاق الهوائية المغلقة أيضًا باسم «أنفاق براندتل» نسبة إلى لودفيغ براندتل الذي طور النظريات الأولى حول موجات الصدمة فوق الصوتية. وتُعرف أيضًا باسم «أنفاق غوتينغن»، نسبة إلى المختبر الألماني للأبحاث حيث استُخدمت لأول مرة.
الشكل 4: نفق هوائي بعودة مغلقة (grc.nasa.gov)
تشمل فوائد الأنفاق الهوائية التقليدية مثل هذه قدرتها على إنتاج تدفقات عالية السرعة وقدرتها على تقييد منطقة الاختبار.
ومع ذلك، فإن تقييد منطقة الاختبار يجعل اختبار طائرة متحركة أكثر صعوبة أيضًا لأن المساحة محدودة. غالبًا ما تُستخدم النماذج في اختبارات الأنفاق الهوائية التقليدية لأن بناء أنفاق قادرة على اختبار طائرات كاملة الحجم مكلف للغاية.
أكبر نفق هوائي في العالم، بأبعاد 80 قدم × 120 قدم، ويقع مقره في مركز ناسا لأبحاث إيمس في كاليفورنيا، تم بناؤه من خلال تعديل نفق هوائي أصغر بأبعاد 40 قدم × 80 قدم. كانت ميزانية المشروع في عام 1979 85 مليون دولار أمريكي، ما يعادل حوالي 350 مليون دولار أمريكي اليوم.
«أنفاق» الرياح في الهواء الطلق / مشكّلات الرياح
الأنفاق الهوائية في الهواء الطلق، أو مشكّلات الرياح، هي بديل واعد لالأنفاق الهوائية التقليدية المغلقة.
هذا الخيار ذو صلة خاصة باختبار الطيران الحر للطائرات والطائرات المسيّرة، لأنه يسمح بإجراء الاختبارات دون حدود نفق مادي. يمكن لهذه المرافق في الهواء الطلق استيعاب الطائرات من نفس الحجم بتكلفة ضئيلة مقارنة بالنفق الهوائي التقليدي.
تختلف الأنفاق الهوائية في الهواء الطلق عن الأنفاق الهوائية التقليدية في أن منطقة الاختبار مفتوحة على البيئة وليست محاطة داخل نفق (الشكل 7).
ينتج جدار من المراوح تدفق رياح ثلاثي الأبعاد بناءً على دالة بثلاثة متغيرات (x، y، z). تنقل الدالة المعلومات إلى المراوح الفردية، والتي يمكنها إنتاج جميع أنواع ملفات الرياح، مثل الأمواج، والاضطراب، واندفاعات الرياح، إلخ.
يتم توجيه تدفق الرياح عبر منطقة اختبار مفتوحة حيث تقع الطائرة. وهذا يسمح للطائرة بالطيران بحرية دون الحاجة إلى تثبيتها في مكانها.
مزيد من القراءة: لماذا يجب عليك اختبار محركات ومراوح طائراتك المسيّرة
الشكل 7: اختبار الطائرة المسيّرة باستخدام نفق هوائي في الهواء الطلق (Windshaper)
يصبح تصور تدفق الهواء باستخدام نظام في الهواء الطلق ممكنًا من خلال استخدام تقنيات تتبع الحركة ومجسات التدفق في الوقت نفسه.
يجمع برنامج تصور التدفق البيانات من المصدرين، ثم يعالجها ويستنبطها ويصورها (الشكل 8).
يمكن تصور البيانات التي يتم جمعها في الوقت الفعلي أو تحليلها لاحقًا باستخدام أدوات تصور ديناميكا السوائل الحسابية القياسية.
الشكل 8: تصور تدفق الهواء حول الطائرة المسيّرة باستخدام تقنية ProCap من Streamwise
تنوع ملفات الرياح المنتجة باستخدام جدار واحد أو عدة جدران من المراوح ممتاز لمحاكاة الطيران في طقس صعب أو حول المباني والتضاريس.
يوفر هذا الفيديو من حكومة كندا عرضًا رائعًا للتحديات التي يواجهها الطيران الحضري باستخدام طائرة مسيّرة، على سبيل المثال، ونوع المهارات التي يجب على الطيارين داخل المدن تطويرها.
نظرًا للطبيعة غير المحاطة لمنطقة الاختبار، تسمح الأنفاق الهوائية في الهواء الطلق أيضًا باختبار تكوينات الإقلاع والهبوط.
Windshapers لديها وظيفة إمالة تسمح لها بالدوران حتى 90 درجة. وهذا يسمح للمستخدم بممارسة مراحل الطيران الأكثر أهمية مع محاكاة تأثير الأرض، والتيارات الحرارية الصاعدة، والرياح المتقاطعة، إلخ.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن إضافة التأثيرات المناخية إلى منطقة الاختبار، مثل المطر أو الثلج أو الضباب (الشكل 9).
الشكل 9: اختبار الطائرة المسيّرة في ظروف ممطرة
الأنفاق الهوائية في الهواء الطلق رخيصة نسبيًا مقارنة بالأنفاق الهوائية التقليدية ذات نفس مساحة الاختبار المقطعية. لذلك فهي توفر اختبار طيران حر أكثر جدوى.
حتى الآن لم يتم بناء أي أنفاق هوائية في الهواء الطلق تصل إلى سرعات شبه صوتية، وهو أحد عيوب هذا النموذج.
المحاكاة الحاسوبية / ديناميكا السوائل الحسابية
يمكن استخدام المحاكاة الحاسوبية لالنفق الهوائي، أو ديناميكا السوائل الحسابية (CFD)، بشكل مستقل أو جنبًا إلى جنب مع الاختبار المادي لفهم الخصائص الديناميكية الهوائية للجسم.
في المشاريع محدودة الميزانية، قد تكون المحاكاة هي الطريقة الوحيدة المستخدمة لتقييم الجسم، بينما في المشاريع الأكبر قد تقدم معلومات وتكمل اختبار النفق الهوائي المادي.
الشكل 5: تصور تدفق الهواء فوق الجناح بواسطة AirShaper
يمكن أن تبدأ البرامج الحاسوبية بأقل مدخلات مثل نموذج ثلاثي الأبعاد أو مسح ثلاثي الأبعاد لطائرة. يتم تحميل النموذج في برنامج الاختبار وتعريضه لظروف رياح مختلفة محاكاة.
يمكن للمستخدم التحكم في سرعة الرياح، وزاوية الهجوم، وحركة الطائرة، وخصائص السائل.
توفر نتائج المحاكاة معلومات أساسية مثل شكل الرياح، والضغط السطحي، وانفصال تدفق الرياح على أجزاء من الطائرة (الشكل 6).
للمبتدئين في CFD، تقدم ناسا عدة برامج مجانية لالنفق الهوائي مصممة لتعليم أساسيات الديناميكا الهوائية والدفع. للاستخدامات التجارية الأكثر تقدمًا، تقدم شركات مثل AirShaper وSimScale حلولًا تسمح للعملاء بإنتاج نماذج مفصلة وملفات رياح شاملة.
الشكل 6: تصور تدفق الهواء حول معدات هبوط الطائرة باستخدام تقنية CFD من SimScale
بشكل عام، يعد CFD طريقة فعالة من حيث التكلفة لجمع البيانات الديناميكية الهوائية النظرية، خاصة مع تطور التكنولوجيا.
ولكن في نهاية المطاف، فإن البيانات هي مجرد ذلك، نظرية.
أجرينا تجربة لمعرفة كيف تقارن بيانات CFD بالظروف الواقعية لاختبار المروحة، وكانت النتائج مثيرة للاهتمام للغاية.
الاتجاهات الناشئة ومستقبل تكنولوجيا النفق الهوائي
يتضمن مستقبل الأنفاق الهوائية دمج CFD والذكاء الاصطناعي مع البيانات التجريبية. يخلق هذا المزج من التقنيات تكاملًا في الوقت الفعلي بين المحاكاة التجريبية والرقمية. تستخدم الأنفاق الهوائية الذكية مثل أنظمة SMART من Optomet أدوات تعتمد على الليزر تقيس الاهتزازات والخصائص الديناميكية الهوائية دون لمس سطح الجسم، مما يضمن بقاء تدفق الهواء فوق المركبة المختبرة دون اضطراب. يتم دمج النظام مع الذكاء الاصطناعي لتصفية ضوضاء الإشارة تلقائيًا وإجراء تعديلات القياس في الوقت الفعلي. وهذا يسمح بجمع البيانات بدقة أكبر أثناء الاختبارات عالية السرعة دون الحاجة إلى إعادة المعايرة يدويًا.
الشكل 7: نفق هوائي SMART من Optomet
تستخدم الأنفاق الهوائية المبردة بالنيتروجين السائل تبريدًا بالنيتروجين السائل للوصول إلى أرقام رينولدز عالية. وهذا يسمح بمحاكاة بيئات الطيران فوق الصوتية. النفق الهوائي Cologne المبرد بالنيتروجين السائل هو نفق بدائرة مغلقة يستخدم هذه التكنولوجيا. يقوم بحقن النيتروجين السائل لخفض درجة حرارة الغاز إلى 100 كلفن. يؤدي خفض درجة الحرارة إلى زيادة كثافة الهواء وتقليل اللزوجة، مما يسمح برقم رينولدز أعلى دون تغيير حجم النموذج أو سرعة الرياح [1].
الشكل 8: نفق هوائي مبرد بالنيتروجين السائل في كولون
3. كيفية استخدام الأنفاق الهوائية لتصميم الطائرات
يمكن لالأنفاق الهوائية أن تساعد صانعي الطائرات على تحسين تصميماتهم من خلال تحديد المناطق التي يمكن تحسين خصائصها الديناميكية الهوائية.
وهذا يسمح للمصممين بتحسين نسبة الرفع إلى السحب، والتي يمكن أن تترجم إلى أوقات طيران محسنة ومقاومة أفضل للاضطراب.
يمكن لالأنفاق الهوائية الأكثر تقدمًا أيضًا محاكاة الاضطراب وتدفقات الرياح الجانبية لدراسة الأداء في حالات طيران متنوعة.
يعتمد حجم النفق الهوائي المطلوب على حجم الطائرة ونوع الاختبار الذي يتم إجراؤه. بعض الأنفاق الهوائية كبيرة بما يكفي لاختبار طائرات كاملة الحجم بينما تستخدم أخرى نماذج لتقديم افتراضات حول النسخ كاملة الحجم.
سيكون النفق الأكبر مطلوبًا لاختبار الطيران الحر مقارنة باختبار نموذج طائرة مثبت، على سبيل المثال.
4. مقارنة بين أنواع الأنفاق الهوائية
إليك مقارنة بين ثلاثة أنواع من الأنفاق الهوائية:
الخلاصة
لمزيد من المعلومات حول اختبارات الأنفاق الهوائية التقليدية وديناميكا السوائل الحسابية، راجع الشركات والروابط المذكورة في النص.
لمزيد من المعلومات حول اختبارات الأنفاق الهوائية في الهواء الطلق (Windshapers)، راجع صفحة هبوط اختبارات الأنفاق الهوائية لدينا.
مزيد من القراءة: اختبار النفق الهوائي في جامعة أوتاوا
المراجع
[1] د. ك. بول، هـ. م. روبين، ن. بول، م. م. أحمد، وم. هـ. مسعود، “التطورات وتطبيقات اختبار النفق الهوائي في تطوير المركبات الجوية: نظرة عامة على أحدث ما توصل إليه العلم،” المجلة الدولية للهندسة والعلوم والتكنولوجيا، المجلد 72، ص 102244، ديسمبر 2025، doi: 10.1016/j.jestch.2025.102244.