Terowongan angin

Terowongan angin NASA dengan model pesawat.

Model Cessna dengan gelembung berisi helium sedang menunjukkan jalur jejak dari vorteks ujung sayap.

Terowongan angin (bahasa Inggris: wind tunnel) adalah sebuah alat yang digunakan dalam penelitian aerodinamika, yaitu penelitian untuk mempelajari efek dari udara yang bergerak melewati benda padat. Sebuah terowongan angin terdiri atas bagian tubular dengan objek yang diuji dipasang di tengah. Udara digerakkan melewati objek dengan sistem kipas atau sistem lain yang kuat. Objek uji, sering disebut model terowongan angin, diiinstrumentasikan dengan sensor-sensor yang cocok untuk mengukur gaya-gaya aerodinamika, distribusi tekanan, atau karakteristik-karakteristik lainnya yang berkaitan dengan aerodinamika.

Terowongan angin pertama diciptakan menjelang akhir abad ke-19, pada masa awal penelitian aeronautika, ketika banyak orang yang berusaha mengembangkan mesin terbang, yang beratnya lebih berat daripada udara. Terowongan angin dapat dibayangkan sebagai sarana yang membalikkan paradigma biasa bahwa udara diam dan benda bergerak melewati udara tersebut. Dalam terowongan angin, udara tersebut akan digerakkan dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan benda yang ingin dianalisis. Efek yang timbul akan sama dengan efek jika benda tersebut bergerak dengan kecepatan tersebut. Dengan begitu, pengamat stasioner bisa mempelajari objek saat terbang dan bisa mengukur gaya-gaya aerodinamika yang berlaku padanya.

Pembangunan terowongan angin menyertai pengembangan pesawat. Terowongan angin yang besar dibangun pada masa Perang Dunia Kedua. Pengujian terowongan angin dianggap penting dan strategis selama pengembangan pesawat dan rudal supersonik dalam Perang Dingin.

Kemudian, studi terowongan angin berdiri sendiri. Efek angin pada struktur atau objek-objek buatan manusia perlu dipelajari ketika bangunan-bangunan menjadi cukup tinggi untuk memberikan permukaan yang besar bagi angin dan kekuatan yang dihasilkan angin harus mampu ditahan oleh struktur dalam bangunan. Pengetahuan akan kekuatan-kekuatan tersebut diperlukan sebelum aturan-aturan pembangunan dapat menentukan kekuatan yang dibutuhkan oleh bangunan dan pengujian tersebut kemudian digunakan untuk bangunan-bangunan yang besar atau tidak biasa.

Lebih jauh, pengujian terowongan angin kemudian diterapkan pada mobil, bukan untuk menentukan gaya aerodinamika secara intrinsik tetapi lebih pada menemukan cara-cara untuk mengurangi daya yang diperlukan untuk menggerakkan kendaraan di jalan raya pada kecepatan tertentu. Dalam studi ini, interaksi antara jalan dan kendaraan memainkan peran penting dan interaksi ini harus dipertimbangkan ketika menginterpretasikan hasil tes. Dalam situasi yang sebenarnya jalan bergerak relatif terhadap kendaraan tetapi udara relatif diam terhadap jalan, berbeda dengan di dalam terowongan angin, udara bergerak relatif terhadap jalan, sementara jalan relatif diam terhadap kendaraan uji. Beberapa terowongan angin untuk uji otomotif telah menyertakan sabuk yang bergerak di bawah kendaraan uji dalam upaya untuk mendekati kondisi yang sebenarnya, dan perangkat yang sangat mirip digunakan dalam pengujian terowongan angin untuk konfigurasi pesawat yang sedang lepas landas dan mendarat.

Pengukuran gaya aerodinamik

Kecepatan dan tekanan udara diukur dalam beberapa cara di terowongan angin.

Kecepatan udara yang melalui bagian tes ditentukan berdasarkan prinsip Bernoulli. Pengukuran tekanan dinamis, tekanan statis, dan (hanya untuk aliran termampatkan) kenaikan suhu dalam aliran udara. Arah aliran udara di sekitar model dapat ditentukan dari jumbai benang yang melekat pada permukaan aerodinamika. Arah aliran udara yang mendekati permukaan dapat divisualisasikan dengan pemasangan benang pada aliran udara di depan dan di belakang model uji. Asap atau gelembung cairan dapat dimasukkan ke dalam aliran udara di depan model uji dan jalur mereka di sekitar model dapat difoto.

Gaya-gaya aerodinamika pada model uji biasanya diukur dengan timbangan yang terhubung dengan model uji dengan balok, tali, atau kabel.

Penyebaran tekanan pada model uji secara historis diukur dari banyaknya lubang-lubang kecil yang terbentuk di sepanjang jalur aliran udara dan dengan menggunakan manometer banyak tabung untuk mengukur tekanan pada setiap lubang. Penyebaran tekanan dapat lebih mudah diukur dengan menggunakan cat yang sensitif terhadap tekanan, yang menunjukkan fluoresensi cat lebih rendah pada titik terjadinya tekanan yang lebih tinggi. Penyebaran tekanan juga dapat dengan mudah diukur dengan menggunakan sabuk yang sensitif terhadap tekanan, suatu perkembangan baru berupa suatu strip fleksibel yang mengintegrasikan beberapa modul sensor tekanan ultramini. Strip ini melekat pada permukaan aerodinamika dengan pita dan mengirimkan sinyal-sinyal yang menggambarkan penyebaran tekanan di sepanjang permukaannya.

Penyebaran tekanan pada model uji juga dapat ditentukan dengan melakukan survei olak, yang dalam tes ini satu tabung pitot digunakan untuk mendapatkan beberapa ukuran yang mengalir dari model uji, atau beberapa manometer tabung dipasang pada aliran dan semua pengukuran diambil.

Sifat aerodinamika dari sebuah objek tidak selalu sama untuk model berskala. Tapi, dengan mengamati aturan-aturan kesamaan tertentu, keterkaitan antara sifat aerodinamika dari model berskala dan objek berukuran penuh dapat dicapai. Pilihan parameter-parameter kesamaan tergantung pada tujuan tes, tetapi kondisi yang paling penting untuk memuaskan keterkaitan tersebut biasanya:

• Kesamaan secara geometris: semua dimensi dari objek harus secara proporsional berskala;
• Angka mach: rasio antara kecepatan udara dan kecepatan suara harus identik untuk model berskala dan objek aktual (memiliki angka mach identik di terowongan angin dan di sekitar objek yang sebenarnya tidak sama dengan memiliki kecepatan udara yang identik)
• Bilangan Reynolds: rasio antara gaya inersia dan gaya viskos harus terjaga. Parameter ini sulit untuk memuaskan dengan model berskala dan telah mengarah pada pengembangan terowongan angin bertekanan dan kriogenik, yang di dalamnya viskositas fluida yang bekerja dapat sangat berubah untuk mengimbangi pengurangan skala model.

Dalam beberapa kasus tes tertentu, parameter kesamaan lain harus dipenuhi, misalnya bilangan Froude.

Sejarah

Asal mula

Insinyur dan matematikawan militer berkebangsaan Inggris Benjamin Robins (1707–1751) menemukan alat lengan pusaran untuk menentukan seretan dan melakukan beberapa percobaan awal dalam teori penerbangan.

Sir George Cayley (1773-1857) juga menggunakan lengan pusaran untuk mengukur seretan dan pengangkatan dari berbagai lempeng sayap. Lengan pusaran Cayley memiliki panjang 5 kaki (1.5 m) dan mencapai kecepatan tertinggi antara 10 dan 20 kaki per detik (3 hingga 6 m/detik).

Otto Lilienthal menggunakan lengan pusaran untuk mengukur secara akurat airfoil sayap dengan berbagai sudut serang, yang menghasilkan diagram polar rasio angkat-hambat, tapi tidak memiliki gagasan gaya hambat imbas dan bilangan Reynolds.

Namun, lengan pusaran tersebut tidak menghasilkan aliran udara yang andal yang berdampak pada bentuk tes pada peristiwa normal. Gaya sentrifugal dan fakta bahwa objek bergerak dalam pusarannya menjadikan pemeriksaan rinci dari aliran udara sebagai hal yang sulit. Francis Herbert Wenham (1824-1908), seorang Anggota Dewan Aeronautical Society of Great Britain, menunjukkan masalah ini dengan menciptakan, merancang, dan mengoperasikan terowongan angin tertutup pertama pada tahun 1871. Setelah terobosan ini dicapai, data teknis terinci dengan cepat ditarik dengan menggunakan alat ini. Wenham dan rekannya John Browning dihargai karena banyak penemuan fundamental karya mereka, termasuk pengukuran rasio l/d dan pengungkapan efek yang menguntungkan dari rasio aspek tinggi.

Konstantin Tsiolkovsky membangun terowongan angin bagian terbuka dengan pengembus sentrifugal tahun 1897 dan menentukan koefisien seret dari pelat datar, silinder, dan bola.

Penemu Denmark Poul la Cour menerapkan terowongan angin dalam prosesnya mengembangkan dan menyempurnakan teknologi turbin angin pada awal 1890-an.

Carl Rickard Nyberg menggunakan sebuah terowongan angin saat merancang Flugan-nya tahun 1897 dan seterusnya.

Dalam serangkaian percobaan klasik, seorang berkebangsaan Inggris Osborne Reynolds (1842-1912) dari Universitas Manchester menunjukkan bahwa pola aliran udara pada model berskala akan sama dengan kendaraan berskala penuh jika parameter aliran tertentu sama dalam kedua kasus. Faktor ini, yang sekarang dikenal sebagai bilangan Reynolds, merupakan parameter dasar dalam deskripsi dari semua aliran cairan, termasuk bentuk pola aliran, kemudahan perpindahan panas, dan terjadinya turbulensi. Hal ini mencakup pembenaran ilmiah untuk penggunaan model dalam terowongan angin untuk mensimulasikan fenomena kehidupan nyata. Tapi, ada keterbatasan-keterbatasan pada kondisi yang kesamaan dinamisnya hanya berdasarkan bilangan Reynolds.

Replika terowongan angin Wright bersaudara

Laboratorium penerbangan Jerman, 1935

Wright bersaudara menggunakan terowongan angin sederhana pada tahun 1901 untuk mempelajari efek dari aliran udara yang melalui berbagai bentuk saat mengembangkan Wright Flyer dalam beberapa cara revolusioner. Teknologi yang mereka gunakan adalah teknologi yang banyak diterapkan saat ini, tetapi pada saat itu belum umum di Amerika.

Di Prancis, Gustave Eiffel (1832-1923) membangun terowongan angin pertamanya pada tahun 1909, yang ditenagai oleh motor listrik 50 kW, di Champs-de-Mars, dekat kaki menara yang menyandang namanya. Antara tahun 1909 dan 1912 Eiffel menjalankan sekitar 4000 tes di terowongan anginnya dan eksperimen sistematisnya menetapkan standar baru bagi penelitian aeronautika. Pada tahun 1912 laboratorium Eiffel dipindahkan ke Auteuil, suatu daerah pinggiran kota Paris, tempat terowongan angin tersebut masih beroperasi saat ini. Eiffel secara signifikan meningkatkan efisiensi terowongan angin dengan menutup bagian uji dalam ruang, merancang jalur masuk melebar dengan sebuah penguat aliran berbentuk sarang lebah, dan menambahkan sebuah pemencar antara bagian tes dan kipas yang terletak di ujung pemencar. Pengaturan ini diikuti oleh sejumlah terowongan angin yang dibangun kemudian. Pada kenyataannya terowongan angin kecepatan rendah yang terbuka di jalur kembali sering disebut terowongan angin jenis Eiffel.

Pada tahun 1931 NACA membangun sebuah terowongan angin "skala penuh" 30 kaki kali 60 kaki di Pusat Penelitian Langley di Langley, Virginia. Terowongan itu ditenagai oleh sepasang kipas yang didorong oleh motor listrik 4000 hp. Terowongan ini bisa menampung banyak pesawat sungguhan berukuran penuh. Terowongan itu akhirnya ditutup dan, meskipun dinyatakan sebagai mercu tanda sejarah nasional pada tahun 1995, mulai dihancurkan pada tahun 2010.

Hingga Perang Dunia Kedua, terowongan angin terbesar di dunia dibangun tahun 1932-1934 yang berada di pinggiran kota Paris, Chalais-Meudon, Prancis. Terowongan ini dirancang untuk menguji pesawat berukuran penuh dan memiliki enam kipas besar yang didorong oleh motor listrik berdaya tinggi. Terowongan angin Chalais Meudon digunakan oleh ONERA dengan nama S1Ch hingga tahun 1976, antara lain dalam mengembangkan pesawat Caravelle dan Concorde. Kini terowongan angin ini berfungsi sebagai monumen nasional.

Perang Dunia Kedua

Tahun 1941 Amerika Serikat (A.S.) membangun salah satu terowongan angin terbesar pada masa itu di Wright Field di Dayton, Ohio. Terowongan angin ini memiliki ukuran diameter paling besar 45 kaki (14 m) dan paling kecil 20 kaki (6,1 m). Dua kipas berukuran 40-kaki (12 m) digerakkan oleh motor listrik 40.000 hp. Model pesawat berukuran besar dapat diuji pada kecepatan udara 400 mph (640 km/h).

Terowongan angin yang digunakan oleh para ilmuwan Jerman di Peenemünde sebelum dan selama PD II adalah sebuah contoh yang menarik dari kesulitan-kesulitan terkait perluasan jangkauan terowongan angin besar. Terowongan angin ini menggunakan beberapa gua alami besar yang ukurannya ditingkatkan dengan penggalian dan ditutup untuk menyimpan udara dalam volume besar yang dapat dialirkan melalui terowongan angin. Pendekatan inovatif ini memungkinkan penelitian laboratorium dalam rezim kecepatan tinggi dan dengan cepat meningkatkan kemajuan teknik aeronautika Jerman. Hingga akhir perang, Jerman telah memiliki sedikitnya tiga terowongan angin supersonik yang berbeda, dengan salah satunya memiliki kemampuan aliran udara (dipanaskan) Mach 4,4.