GALLERIA AERODINAMICA
GALLERIA AERODINAMICA
La g. a., che è denominata anche galleria del vento, è un impianto per la determinazione sperimentale delle azioni esercitate da un fluido, in genere aria, su un corpo in moto relativo rispetto a esso.
Secondo Th. von Karman (Aerodinamica, 1956, p. 14) la prima g. fu realizzata nel 1871 da F. H. Wenham (1824-1908), membro fondatore dell'Aeronautical Society inglese. Nel 1884 un altro inglese, H. Phillips (1845-1912), costruì una g. del vento perfezionata in cui sperimentò vari profili alari. Altre g. furono costruite da N. Joukowski (1846-1921) a Mosca nel 1891, poi da T.E. Stanton e H.S. Maxim in Gran Bretagna, dai fratelli Wright negli USA nel 1902, da L. Prandtl (1875-1953) in Germania, da G. Eiffel (1832-1923) in Francia nel 1910 e da G. A. Crocco in Italia (1914; v. aerodinamica, i, p. 573).
Nate per una soluzione dei problemi aerodinamici svincolata, almeno in parte, dalle insoddisfacenti formulazioni teoriche dell'epoca, le g. a. hanno contribuito in maniera determinante ai progressi dell'aerodinamica. Oggi, pur con le enormi capacità offerte dai calcolatori elettronici per la simulazione numerica dei fenomeni aerodinamici, esse restano uno strumento fondamentale di confronto per il progetto aerodinamico, indispensabile per ridurre il più possibile il periodo di messa a punto in volo. L'Italia ha dato un contributo di prim'ordine in questo settore, in particolare col Centro studi ed esperienze di Guidonia, dove già negli anni Quaranta, accanto alle g. tradizionali, funzionava una g. verticale per prove di avvitamento e una g. supersonica dove si raggiungevano velocità pari al doppio della velocità del suono.
Principi generali. - I principi e i fenomeni su cui si basa il funzionamento delle g. del vento sono essenzialmente il principio di reciprocità e i principi di similitudine.
Principio di reciprocità. - Nella sperimentazione in g. del vento l'oggetto da provare, o meglio un modello in scala del medesimo oggetto, è tenuto fermo ed è investito da una corrente d'aria creata entro un condotto opportuno allo scopo di rilevare le azioni aerodinamiche (resistenza del mezzo, portanza, momenti di beccheggio, di rollio, ecc.) che si esercitano sul corpo in esame per effetto di tale corrente d'aria. Nella realtà queste azioni sono esercitate dall'aria in quiete su un corpo che si muove in essa a una data velocità; la possibilità di sostituire al moto dell'oggetto quello dell'aria, sotto forma di corrente che investe il modello dell'oggetto in quiete alla stessa velocità relativa, è fornita dal principio di reciprocità, per il quale le azioni aerodinamiche relative tra un corpo e un fluido sono le stesse sia per il corpo in moto, a una data velocità, nel fluido in quiete sia per il corpo immobile investito dal fluido in moto con la stessa velocità. Così, per simulare il caso semplice di traslazione rettilinea uniforme, tipica del volo di crociera, basta che il modello dell'aeromobile sia vincolato a un supporto fisso e che venga investito da un flusso d'aria a velocità costante pari a quella di volo. Naturalmente, perché il principio di reciprocità risulti effettivamente rispettato è necessario che, oltre alla velocità relativa, tutte le caratteristiche fisiche siano identiche per il fluido che circola in g. e per quello reale.
È evidente il vantaggio di poter effettuare la sperimentazione su un modello fermo anziché in moto nell'aria, dal momento che non è necessario che l'oggetto disponga di sistemi di propulsione potendosi rilevare le misure relative alle caratteristiche del flusso intorno all'oggetto con estrema semplicità, utilizzando apparecchiature vincolate all'oggetto stesso. In tal modo si riducono tempi, costi e rischi della sperimentazione rispetto a quelli che sono richiesti dalle prove di volo su modelli o aerei in vera grandezza.
Principi di similitudine. - Le prove in g. del vento su velivoli in vera grandezza vengono effettuate solo su piccoli aeromobili e a modeste velocità, date le dimensioni e gli impegni di potenza proibitivi che richiederebbe la realizzazione di g. per la sperimentazione su velivoli di dimensioni notevoli e ad alta velocità.
Teoricamente la potenza P (Watt) necessaria a generare la corrente fluida con velocità V (m/s) in una camera di prova di sezione A (m2) è esprimibile con la relazione:
P=rAV3
dove ϱ (kg/m3) è la densità dell'aria di prova. Così, per un bimotore civile lungo 25 m e con apertura alare di 30 m, con velocità di crociera di 110 m/s (∼ 400 km/h) a 6000 m di quota, sarebbe necessaria una g. con camera di prova di almeno 800 m2 di sezione e con potenza installata dell'ordine di 800.000 kW.
Per tale ragione si ricorre a modelli in scala, per i quali dev'essere rigorosamente rispettata la similitudine geometrica con l'aeromobile reale e, per i velivoli elasticamente deformabili, quella fra le caratteristiche elastiche nelle esperienze su fenomeni aeroelastici. Nel caso in cui il modello sia libero di muoversi dev'essere anche rispettata la similitudine fra i valori e la distribuzione delle masse.
I modelli, peraltro, se da un lato permettono di realizzare g. con dimensioni limitate e con ragionevoli potenze installate, falsano dall'altro le condizioni di similitudine aerodinamica. Lo scopo della g. del vento è infatti quello di creare attorno al modello, riproducente in scala ridotta la configurazione dell'aereo, un flusso identico a quello del volo reale, cioè con velocità uguale alla velocità di volo e con aria avente densità, pressione e temperatura pari a quelle che si riscontrerebbero nell'atmosfera alla quota di volo prestabilita.
In regime stazionario e in condizioni d'incompressibilità, cioè per campi di velocità molto più bassi della velocità del suono, perché le prove siano pienamente significative è necessario che venga assicurata la similitudine aerodinamica data dall'uguaglianza, nella prova e in volo, del numero di Reynolds Re, che esprime il rapporto tra il prodotto della velocità dell'aria V (m/s) per una lunghezza l (m) caratteristica del velivolo (per es. la corda alare) e la viscosità cinematica dell'aria ν (m2/s):
L'uguaglianza del numero di Reynolds fra sperimentazione e realtà è sempre molto difficile da realizzare. Per esempio, con un medello in scala 1/10 del vero si dovrebbero eseguire prove a velocità 10 volte più grandi di quelle di volo, che sconfinano in campi di velocità (transoniche, supersoniche) governati da leggi diverse. In generale, dunque, il numero di Reynolds di prova è inferiore a quello di volo e i risultati delle prove devono venire approssimativamente corretti mediante relazioni empiriche e sperimentali. Essendo infatti il numero di Reynolds di prova alquanto inferiore a quello reale, l'aereo avrà coefficienti di portanza più elevati e coefficienti di resistenza più ridotti del modello. Per aumentare il numero di Reynolds di prova si può accrescere la scala del modello, utilizzando il modello di una sola metà dell'aeromobile (tecnica del semi-modello), ovvero utilizzando modelli parziali di elementi del velivolo sui quali non vi sia interferenza con le parti non riprodotte.
Incrementi del numero di Reynolds possono essere ottenuti realizzando g. sempre più potenti e quindi più costose. Una tecnica, impiegata specialmente in passato, ha consentito di eseguire prove ad alti numeri di Reynolds con modelli di dimensioni limitate e velocità contenute ricorrendo a g. ad aria compressa. Poiché infatti la viscosità cinematica dell'aria è inversamente proporzionale alla densità e, quindi, alla pressione dell'aria in g., se quest'ultima viene portata a valori decisamente superiori a quelli della libera atmosfera, la viscosità cinematica si riduce di conseguenza e il numero di Reynolds si accresce nello stesso rapporto. Per es., con il modello in scala 1/10 del vero e con velocità uguale a quella di volo, l'identità fra i numeri di Reynolds in prova e in volo è assicurata mantenendo in g. una pressione di 10 atmosfere. Tuttavia le prove in g. ad aria compressa sono poco agevoli sia per le difficoltà di controllare il comportamento del modello durante la sperimentazione sia per l'innesco di fenomeni di turbolenza che possono falsare i risultati delle prove.
Al crescere della velocità di volo, per campi di velocità superiori al 60% della velocità del suono, quando iniziano a manifestarsi i fenomeni legati alla compressibilità dell'aria, diviene indispensabile assicurare l'identità nella prova e nel volo del numero di Mach M, che esprime il rapporto fra la velocità V della corrente che investe il modello e la velocità del suono c nell'aria impiegata nelle prove, nelle stesse condizioni fisiche di temperatura e di pressione:
La necessità di assicurare l'identità dei numeri di Mach tra modello e realtà, ancora più che per i numeri di Reynolds, è resa inderogabile dal fatto che non è possibile apportare alcuna correzione ai risultati delle prove essendo le variazioni del campo aerodinamico in funzione del numero di Mach piuttosto vistose e irregolari. Peraltro non vi sono particolari difficoltà a garantire tale identità, in quanto la velocità della corrente in g. viene assicurata dalla specifica geometria dei condotti di efflusso dell'aria.
Schema generale di una galleria aerodinamica. - Come architettura generale, ogni g. a. consta essenzialmente delle seguenti parti:
a) un gruppo di ventilatori o di compressori che producono la corrente d'aria necessaria per la prova;
b) un condotto effusore in cui l'aria, proveniente da un ambiente a pressione maggiore, si espande aumentando la sua velocità fino al valore desiderato: la geometria di tale condotto determina nella sua sezione finale il valore della velocità;
c) una camera di prova, posta dopo l'effusore, in cui la vena fluida procede uniformemente avendo raggiunto le condizioni fisiche prefissate; in tale camera viene quindi disposto, su adatto supporto, il modello in esame. La camera di prova può essere aperta o chiusa, cioè delimitata lateralmente da pareti: soluzione quest'ultima oggi preferita perché consente sensibili riduzioni della potenza installata e notevoli diminuzioni del rumore. Le pareti laterali della camera sono in genere realizzate con finestre ottiche per consentire l'osservazione del modello e la visualizzazione del campo aerodinamico attorno a esso;
d) un condotto diffusore, in cui il fluido che ha investito il modello recupera parte dell'energia cinetica, diminuendo progressivamente la velocità e aumentando la pressione. La geometria dei condotti varia molto a seconda del tipo di g. cui sono destinati (v. oltre).
Classificazione delle gallerie aerodinamiche. - Le g. a., a seconda dell'impiego cui sono destinate, possono avere forme e modi di funzionamento del tutto differenti.
Una prima tradizionale classificazione è basata sulla loro tecnica costruttiva: si hanno infatti g. aperte (tipo Eiffel), in cui l'aria, una volta attraversata la camera di prova, viene scaricata all'uscita del diffusore e non rimessa più in ciclo; la pressione nella camera di prova è tanto più bassa di quella atmosferica, quanto maggiore è la velocità. In contrapposto si hanno le g. chiuse (tipo Prandtl), in cui la sezione di uscita del diffusore è collegata a quella d'ingresso dell'effusore attraverso uno o due condotti di ritorno (semplice o doppio ritorno) simmetricamente disposti rispetto all'asse della galleria. In queste g. possono usarsi anche gas diversi dall'aria e inoltre esse possono funzionare sia con pressioni maggiori di quella atmosferica (onde diminuire la viscosità cinematica del fluido e, quindi, aumentare il valore del numero di Reynolds di prova) sia con pressioni inferiori, onde aumentare la velocità della corrente (g. a densità variabile). Infatti, a seguito della diminuzione della densità della corrente gassosa, la potenza necessaria per le prove ad alta velocità si può contenere entro limiti accettabili. L'impiego di gas rarefatti allontana peraltro vistosamente dal rispetto dell'uguaglianza dei numeri di Reynolds in prova e in volo; ma, come si è detto, alle velocità più alte l'esigenza primaria è di conservare l'identità dei numeri di Mach, riservando le opportune correzioni ai risultati per quanto riguarda l'effetto del numero di Reynolds.
Una seconda distinzione fra i vari tipi di g. del vento è fondata, invece, sul loro modo di funzionamento: si hanno g. continue e g. intermittenti. Le g. continue possono funzionare per un tempo lungo quanto si vuole, purché si fornisca continuamente l'aria in pressione necessaria per la prova. Le g. intermittenti, che sono sempre di tipo aperto, hanno invece un tempo di prova limitato a pochi secondi, con delicati problemi nella scelta della strumentazione, che deve avere una rapidità di risposta pressoché istantanea. D'altro canto le g. intermittenti hanno il vantaggio di richiedere una potenza installata molto inferiore e, poiché la potenza necessaria a creare la corrente fluida cresce enormemente all'aumentare della velocità di prova, si comprende come praticamente tutte le g. per alte velocità siano di tipo intermittente.
La suddivisione più significativa tuttavia è effettuata in base alle velocità che si raggiungono nella camera di prova durante la sperimentazione. Si hanno pertanto: g. subsoniche, in cui la velocità dell'aria non supera i 500 km/h (cioè M=0,4); g. transoniche (in cui la velocità è compresa fra circa 500 km/h e circa 1700 km/h, cioè M=1,4); per velocità superiori a quella del suono si hanno poi le g. supersoniche, per numeri di Mach compresi fra 1,4 e 5 e, infine, le g. ipersoniche, per i numeri di Mach superiori, fino a circa M=15.
Gallerie subsoniche. - Le g. del vento subsoniche consentono l'esecuzione di esperienze su modelli dell'aria fino a valori che corrispondono all'incirca alla metà della velocità del suono e comunque non sono superiori al valore corrispondente a M=0,6.
Nella fig. 1 A è schematizzata una g. subsonica aperta, mentre nella fig. 1 B è riportato lo schema di una g. subsonica chiusa con semplice ritorno. La corrente d'aria viene generata dal ventilatore a e attraverso l'effusore b, a forma di condotto convergente, entra nella camera di prova c a sezione costante, dove acquista la massima velocità e la minima pressione: il rapporto fra la sezione di entrata e la sezione di uscita dell'effusore è chiamato rapporto di contrazione ed è uguale al rapporto fra la velocità massima della corrente (in camera di prova) e la velocità d'ingresso, molto più bassa. Nella camera di prova è sistemato il modello d. All'uscita della camera di prova l'aria passa attraverso il diffusore e, a forma di condotto divergente, e scarica nell'atmosfera, nel caso della g. aperta, mentre viene riportata in ciclo attraverso il condotto di ritorno f, nel caso della galleria chiusa; in corrispondenza dei gomiti a 90° e delle deviazioni sono poste schiere di palette g, che hanno il compito di guidare la deviazione della vena fluida senza incorrere in eccessive perdite di energia. Prima della sezione d'ingresso dell'effusore vengono poste griglie metalliche h che hanno il compito di ridurre la turbolenza della vena, rendendo i suoi filetti fluidi uniformi e paralleli; più spesso l'ingresso dell'effusore è preceduto da un ambiente di volume maggiore (i), detto camera di ristagno (o camera di tranquillizzazione), in cui la corrente fluida ha modo di ridurre la sua agitazione prima di entrare nel condotto.
Rispetto alle g. aperte, le g. con ritorno presentano il vantaggio di richiedere, a pari velocità in camera di prova, una potenza installata ridotta a circa 1/3, in quanto viene sfruttata l'energia riacquistata dall'aria all'uscita dal diffusore. Ci si limita peraltro a un unico ritorno, giacché nelle g. a doppio ritorno si presentano irregolarità proibitive nell'andamento della corrente fluida.
Nelle g. subsoniche a causa delle perdite per attrito sulle pareti e per i fenomeni vorticosi nelle palette deviatrici si manifesta un considerevole aumento della temperatura dell'aria, che limita le velocità raggiungibili. Si può ovviare a questo inconveniente o con adeguata refrigerazione dell'aria in circolo, o scaricandone all'esterno una parte e sostituendo questa con aria fresca.
Gallerie transoniche. - Le g. del vento transoniche vengono impiegate per campi di velocità attorno al valore della velocità del suono, in un intervallo generalmente compreso fra M=0,8 ed M=1,4. Pur operando con numeri di Mach inferiori all'unità, cioè in regimi di velocità ancora subsoniche, il fluido presenta fenomeni di compressibilità con formazione di onde d'urto attorno al modello che possono falsare totalmente i risultati della prova. Infatti un modello sul quale si formino onde d'urto può essere investito dalle onde riflesse dalle pareti della camera di prova, con la conseguenza che le azioni aerodinamiche sul modello risultano totalmente diverse da quelle reali. Il problema dell'interferenza delle pareti ha reso per molti anni impossibile la sperimentazione ai regimi transonici. Oggi, per eliminare tale inconveniente, sulle pareti della camera di prova si praticano delle fessure regolabili di forma opportuna, che assorbono, senza rifletterle, le onde d'urto.
Nelle moderne g. transoniche il numero di Reynolds è mantenuto elevato raffreddando energicamente la corrente d'aria mediante iniezione di un getto d'azoto liquido (g. criogeniche).
Gallerie supersoniche. - Le g. supersoniche vengono impiegate per campi di velocità comprese fra M=1,4 ed M=5. In tale intervallo il fluido risulta compressibile e per esso valgono leggi del tutto opposte a quelle che regolano il regime subsonico. Una prima differenza sostanziale fra le g. subsoniche (e transoniche) e quelle supersoniche è quindi data dalla forma del condotto effusore.
Tale condotto (fig. 2) è formato da un primo tronco di condotto convergente in cui l'aria, entrando a velocità subsonica (M〈1), acquista via via velocità maggiori fino a raggiungere nella sezione di gola a la velocità del suono (M=1); dopo tale sezione il flusso diviene supersonico e la corrente attraversa un secondo condotto (effusore supersonico, b), questa volta divergente, in cui al crescere della sezione aumenta la propria velocità (M>1), fino a entrare nella camera di prova c alla velocità supersonica desiderata. Il numero di Mach in camera di prova dipende esclusivamente dal rapporto fra la sezione della stessa e la sezione della gola. La camera di prova è poi collegata al diffusore d, ancora a forma di condotto convergente-divergente, in cui la corrente fluida torna ad assumere velocità subsonica (M〈1).
È evidente che per ottenere in camera di prova differenti velocità supersoniche, cioè diversi numeri di Mach, occorre cambiare il condotto effusore, giacché a ogni condotto corrisponde un numero di Mach ben definito. Talvolta si usano condotti a geometria variabile, che permettono di variare il numero di Mach di uscita deformando le pareti del condotto stesso; ciò tuttavia implica notevoli difficoltà costruttive e di funzionamento, per cui si preferiscono condotti di geometria fissa (in genere bidimensionali), in legno o in metallo, mentre la camera di prova, che è sempre chiusa, è di sezione quadrata o rettangolare. Le g. supersoniche possono essere continue o intermittenti, queste preferite per mantenere le potenze installate entro limiti ragionevoli.
In fig. 3 è riportato lo schema di una g. supersonica intermittente. Una serie di gruppi, motore (elettrico) a e compressore (assiale) b, genera l'aria compressa, a una pressione che può giungere a valori di oltre 250 atm.; l'aria compressa passa nel separatore c, dove viene eliminata l'acqua di condensazione d, nel refrigeratore ad acqua e, dove viene raffreddata a temperatura ambiente e nell'essiccatore f contenente gel di silice, dove vengono eliminate le tracce di umidità ancora presenti. Si ha così a disposizione aria compressa secca e a temperatura normale, che viene immagazzinata per es. in una batteria di serbatoi di accumulazione g. Questi sono collegati alla g. attraverso la valvola h che, durante l'operazione d'immagazzinamento dell'aria, resta chiusa. Secondo la potenza installata e la capacità degli accumulatori, quest'operazione può durare parecchie ore, soprattutto se s'installano potenze ridotte. L'aria compressa deve essere priva di umidità, giacché in caso contrario, data la rapidissima espansione che la corrente subisce nel condotto effusore, si avrebbe la condensazione sul modello, che altererebbe i risultati della prova.
All'atto della prova viene aperta la valvola h e l'aria, dopo aver calmato la propria turbolenza nella camera di ristagno i, espande nel condotto convergente-divergente e investe il modello l nella camera di prova m. Da qui la corrente ritorna subsonica nel diffusore e fuoriesce all'aria libera. Nelle g. intermittenti la durata della prova è limitata praticamente dalla capacità degli accumulatori, in quanto dopo pochi secondi la pressione dell'aria scende a valori insufficienti a mantenere un regime stazionario in camera di prova. Come per le g. transoniche, anche per quelle supersoniche particolare cura dev'essere posta per evitare l'interferenza sul modello delle pareti della camera di prova, per effetto dell'onda d'urto riflessa; essa perciò deve cadere al di là della coda del modello. Ma poiché al crescere del numero di Mach diminuisce l'angolo di apertura dell'onda d'urto, risulta più facile impedire tali interferenze. Un particolare vantaggio delle g. intermittenti è la loro elasticità nei confronti del numero di Reynolds, che può essere variato cambiando opportunamente il valore della pressione negli accumulatori.
Gallerie ipersoniche. - Convenzionalmente vengono chiamate g. ipersoniche le g. che permettono di sperimentare in un regime di velocità compreso fra M=5 ed M=15. Si tratta in realtà di g. supersoniche ad altissima velocità, che presentano due ordini di problemi che le differenziano dalle g. supersoniche propriamente dette. Le gallerie ipersoniche sono quasi tutte di tipo intermittente e coincidenti, per la parte degli impianti relativa alla generazione, depurazione e immagazzinamento dell'aria con quanto già descritto per le g. supersoniche. Per ottenere però numeri di Mach così elevati occorrerebbero altissimi rapporti fra la pressione dell'aria a monte del condotto effusore (cioè la pressione negli accumulatori) e la pressione all'uscita della g. (che per le g. supersoniche coincide con la pressione atmosferica esterna). In tal caso sarebbe necessario operare con pressioni nei serbatoi a monte di valore proibitivo. Questo inconveniente viene superato collegando il diffusore con un grosso serbatoio in cui viene provocato un vuoto abbastanza spinto (dell'ordine del mmHg), in modo da innalzare comunque il rapporto fra le pressioni, senza per questo portare fuori dei valori normali il valore della pressione a monte.
Seconda differenza rispetto alle g. supersoniche è la necessità di riscaldare preventivamente l'aria compressa proveniente dai serbatoi di accumulazione, prima di inviarla nel condotto ipersonico. Quest'accorgimento è determinante per evitare la liquefazione dell'aria nella camera di prova a seguito della rapidissima espansione nel condotto. Qualora infatti si immettesse nel condotto aria fredda, la temperatura dell'aria si abbasserebbe al di sotto del punto di liquefazione. Per tale motivo è necessario che la temperatura di preriscaldamento dell'aria sia di circa 600°C per una g. per M=8 e di oltre 1200°C per una g. per M=12. Ciò comporta delicati problemi di costruzione dei riscaldatori che, per i numeri di Mach più elevati, sono costituiti da forni tubolari a resistenze elettriche di materiale speciale.
In fig. 4 è riportato lo schema di una g. ipersonica intermittente relativo alla parte successiva alla valvola a, in quanto la parte a monte è simile a quella di una g. supersonica. L'aria compressa proveniente dagli accumulatori, all'apertura delle valvole a e b (che mette in comunicazione il diffusore con il serbatoio del vuoto) entra nel riscaldatore c dove, lambendo gli elementi radianti, si riscalda passando nella camera di ristagno d e nell'effusore, da cui espande nella camera di prova e; da qui scarica nel serbatoio f dove in precedenza, con la valvola b chiusa, è stato praticato il vuoto.
Nelle g. ipersoniche intermittenti, dove in genere s'impiegano condotti assialsimmetrici in acciaio inossidabile, con sezioni di gola anche inferiori al mm2, la durata della prova è limitata dalla capacità del serbatoio del vuoto, dove in pochi secondi la pressione tende a risalire a causa dell'afflusso dell'aria dalla g., impedendo così la continuazione del regime ipersonico regolare. I numeri di Reynolds ottenibili nelle g. ipersoniche sono bassi, giacché la fortissima espansione riduce notevolmente la densità dell'aria.
Per i numeri di Mach più elevati, fino a M=35, quali quelli che si riscontrano nel rientro atmosferico di un veicolo spaziale, vengono usati i tubi di urto (nei quali il riscaldamento del flusso è ottenuto attraverso un arco di brevissima durata prodotto dalla scarica di condensatori o induttanze), o le g. a plasma se l'arco è mantenuto per un tempo più lungo. Per i numeri di Mach intorno a 36 si usano anche g. ipersoniche a elio.
Tipi particolari di gallerie aerodinamiche. - Si indicano, infine, alcuni tipi particolari di g. aerodinamiche destinate a impieghi speciali.
Gallerie verticali: consentono di effettuare esperienze di avvitamento degli aeroplani in caduta libera nella corrente. L'asse della camera di prova è verticale e la corrente che l'attraversa e che sostiene il modello è ascendente, con velocità uguale nel moto relativo a quella verticale di caduta in vite dell'aeromobile. Il modello viene ''lanciato'' nella corrente con l'incidenza alla quale si verifica il fenomeno della vite e le evoluzioni che esso compie vengono fotografate e cinematografate, mentre la manovra di uscita dalla vite viene ottenuta azionando le superfici di controllo del modello mediante radiocomandi o comandi elettromagnetici.
Gallerie per volo con raffiche: hanno lo scopo di studiare il comportamento di un velivolo assoggettato a una raffica improvvisa, in particolare di determinarne l'accelerazione del baricentro. Il modello, contenente nel suo interno un accelerografo registratore, è sorretto da un carrello che trasla alla velocità voluta fino a passare attraverso un getto verticale che simula la raffica. La velocità di quest'ultimo e la sua distribuzione nella sezione del getto possono essere variate per ottenere un diagramma di qualsiasi velocità di raffica.
Gallerie per formazioni di ghiaccio: hanno lo scopo di saggiare le caratteristiche di impianti antighiaccio e studiare l'influenza delle formazioni di ghiaccio sulle ali e sul muso di un velivolo; a tale scopo viene spruzzata acqua in minute goccioline sul modello, che viene investito da una corrente la cui temperatura è nettamente al di sotto di 0°C in modo da creare le condizioni che in volo libero provocano la formazione di depositi di ghiaccio.
Galleria idrodinamica. - Le g. idrodinamiche sono del tutto simili alle g. del vento a circuito chiuso, salvo che il fluido circolante è acqua o altro liquido e, quindi, i ventilatori sono sostituiti da pompe. L'impiego dell'acqua è dovuto essenzialmente alla facilità di visualizzazione delle linee di flusso attorno al modello (in genere ottenute mediante iniezione di coloranti di densità molto prossima a quella dell'acqua) che consentono di visualizzare in pochi istanti il campo di moto nella sua globalità. Altri sistemi di visualizzazione adottati sono l'emissione di bolle di idrogeno ottenute per elettrolisi dell'acqua, l'iniezione di aria sotto pressione per le correnti ad alta velocità, l'anemometria e l'olografia laser. Normalmente i modelli sono di piccole dimensioni e vengono realizzati in plastica per facilitare modifiche di configurazione. Anche le velocità della corrente sono basse, non più di qualche metro al secondo, e in campo incompressibile.
Se da un lato queste caratteristiche favoriscono la semplicità e la flessibilità di un tale tipo d'impianto, dall'altro ne costituiscono un'intrinseca limitazione in quanto portano a numeri di Reynolds di prova molto più bassi di quelli reali. Con un modello in scala 1/15 del vero e velocità della corrente ridotta a 1/100 si perviene infatti a un numero di Reynolds di prova pari all'incirca a 1/100 di quello al vero, essendo la viscosità cinematica dell'acqua circa 1/15 di quella dell'aria.
Nelle g. ad acqua è dunque necessario limitarsi alla sperimentazione su tipi di flusso che risultino poco influenzati dal numero di Reynolds, quali quelli dominati da separazioni tridimensionali e sistemi vorticosi complessi, che si presentano in maniera vistosa dopo lo stallo di un profilo, difficilmente visualizzabili in g. del vento e invece bene identificabili in quella ad acqua. Negli ultimi anni l'interesse per le g. idrodinamiche è aumentato con l'avvento delle nuove generazioni di velivoli da combattimento che operano a incidenze estremamente elevate, ben oltre quella di stallo, con conseguente incremento delle capacità di manovra. La possibilità di volare ad angoli d'incidenza superiori a quello di stallo − che era considerato il limite dell'inviluppo di volo a causa della separazione del flusso e dell'intensa vorticità intorno al profilo e alla conseguente caduta di portanza − è dovuta alla controllabilità dei flussi vorticosi usati come generatori di portanza e di potenza di controllo. Primo esempio di questo sono i getti orientabili del motore Rolls Royce Pegasus montato sul velivolo STOVL Harrier. Per queste ragioni nel progetto di aerei avanzati la g. idrodinamica è divenuta un potente mezzo di ricerca strettamente integrata alla sperimentazione nel tunnel del vento.
Strumentazione. - Le misure che vengono più frequentemente eseguite nelle g. del vento per la determinazione delle azioni aerodinamiche sul modello sono: misure di pressione, di temperatura, di forze, e rilevamenti ottici (oltre alle misure di turbolenza, di portata, di direzione della vena fluida).
Misure di pressione. - Le misure di pressione sui modelli vengono ottenute praticando una serie di fori sulla superficie del modello, che vengono collegati con manometri posti all'esterno della galleria. Nel caso che le prese di pressione siano parecchie s'impiegano multimanometri costituiti da un gran numero di canne manometriche. Il liquido usato può essere mercurio, acqua, alcool o altri liquidi speciali, a seconda del campo di pressioni sotto misura. Molto spesso si utilizzano trasduttori a variazione d'induttanza, di capacità, di resistenza elettrica o piezoelettrici.
Misura delle forze. - Per la misura delle forze aerodinamiche che agiscono sul modello si usano le bilance aerodinamiche dotate di un elemento elastico rigidamente connesso col modello, che si deforma allorché il modello è sottoposto all'azione della forza. Sull'elemento elastico vengono disposti elementi sensibili alle deformazioni, generalmente strain gauges (estensimetri), che forniscono un segnale elettrico proporzionale alla deformazione e quindi alla forza che l'ha provocata. Mediante un'opportuna disposizione di vari elementi elastici si possono così misurare le sei componenti dell'azione aerodinamica complessiva: portanza, resistenza, devianza, momenti di beccheggio, rollio e imbardata (bilance a sei componenti). Si può inoltre disporre il modello a diversi angoli di attacco, così da misurare le forze nelle diverse condizioni di volo.
Misura delle temperature. - La misura della distribuzione della temperatura sul modello, ai fini della determinazione degli scambi di calore e del riscaldamento aerodinamico, è affidata in genere a termocoppie (ferro-costantana, rame-costantana, nichel-cromo, ecc.) disposte sulla superficie del modello. Particolare cura dev'essere posta nella misura della temperatura statica di una corrente compressibile, giacché, a causa dello strato limite, quella che si misura è in realtà la temperatura di ristagno, o meglio una temperatura inferiore (temperatura di recupero), a causa delle perdite di calore da parte dell'elemento di misura. Dalla misura della temperatura di recupero si risale, mediante opportune correzioni, al valore della temperatura di ristagno, e da questa, conoscendo il numero di Mach della corrente, al valore della temperatura statica.
Rilevamenti ottici. - Specialmente nelle g. a. supersoniche e ipersoniche si usano, per visualizzare l'andamento del flusso attorno al modello, dispositivi ottici basati sulle variazioni di densità dell'aria in camera di prova, variazioni che si accentuano al crescere del numero di Mach.
Questi metodi sono fondati sulle variazioni dell'indice di rifrazione n dell'aria attorno al modello prodotte dalle variazioni della densità ϱ della corrente fluida secondo la relazione di Biot e Arago:
dove K è una costante dipendente dalla natura del gas e della luce impiegata.
Questi metodi (metodo interferometrico, metodo delle ombre, metodo delle strie o Schlieren) si basano sul seguente principio: se s'invia un raggio di luce perpendicolarmente a una finestra della camera di prova, questo uscirà dalla finestra opposta senza subire alcuna deviazione se la densità dell'aria in camera di prova è ovunque costante. Se invece, come avviene a causa della compressibilità dell'aria ai regimi di alta velocità, si hanno variazioni locali di densità e, quindi, d'indice di rifrazione (per es. nelle zone della camera di prova dove si formano le onde d'urto), i raggi luminosi inviati dall'esterno verranno deviati in maniera diversa a seconda delle zone a diverso indice di rifrazione che attraversano e usciranno dall'altra finestra non più paralleli, ma più o meno deviati. Si può così ottenere su uno schermo o su lastra fotografica un'immagine con zone più chiare e zone più scure attorno al modello, che raffigurano l'andamento del campo aerodinamico.
Impieghi delle gallerie aerodinamiche. - Le g.a. costituiscono il mezzo più efficace d'indagine sperimentale in campo aeronautico e missilistico, giacché, salvo casi particolarmente semplici, l'aerodinamica teorica non è in grado di prevedere con sicurezza il comportamento di un velivolo o di un missile in volo. Pertanto fin dagli studi preliminari di progetto l'osservazione sperimentale del comportamento aerodinamico del modello del prototipo in g. del vento consente di verificare subito se le prestazioni ottenute corrispondono alle condizioni di progetto e di modificare opportunamente la configurazione preliminare. A mano a mano che il progetto dell'aeromobile viene sviluppato nei suoi particolari, procedono parallelamente le prove sul modello in g., determinando le caratteristiche di portanza e di resistenza nelle varie condizioni di volo.
Un altro studio sperimentale frequentemente svolto nelle g. del vento è la determinazione della distribuzione di pressione e di temperatura sul modello al fine di valutare l'effettiva distribuzione dei carichi dinamici e termici agenti sul corpo. Assai frequenti sono le esperienze di visualizzazione dei flussi attorno al velivolo, dalla semplice disposizione di un certo numero di fili di lana sul modello, che si orientano diversamente quando si fa investire dal vento il modello, all'impiego dei metodi ottici prima accennati, allo scopo di esaminare la configurazione del campo aerodinamico attorno al modello, le caratteristiche dello stallo ed eventuali fenomeni d'interferenza. Un'analisi fondamentale è infine la determinazione sperimentale delle derivative aerodinamiche ai fini dello studio della stabilità del velivolo.
D'interesse attuale sono le g. supersoniche e ipersoniche, per il notevole sviluppo delle attività missilistiche e spaziali. Con esse vengono affrontati: i problemi del rientro nell'atmosfera; lo studio delle prese d'aria supersoniche; lo studio della configurazione dei veicoli ipersonici, per limitare lo scambio di calore e ottenere le condizioni più efficaci per il raffreddamento aerodinamico; lo shock termico delle strutture; lo studio del comportamento dei materiali per veicoli supersonici e ipersonici; problemi di termoaeroelasticità; lo studio dello strato limite; lo studio delle sollecitazioni e deformazioni di origine termica; problemi di raffreddamento delle apparecchiature di bordo, ecc.
Negli anni più recenti le g. a. hanno trovato utilizzazioni non aeronautiche per prove su strutture comunque sollecitate da masse d'aria in movimento. Numerosi perfezionamenti alle autovetture, in particolare da competizione (per es. l'introduzione delle superfici deportanti denominate ''minigonne''), e ai treni per alta velocità sono derivati dalla determinazione del campo aerodinamico in g. del vento, mentre trova sempre più diffusione la sperimentazione in g. per determinare le azioni del vento su edifici e l'andamento dei fumi emessi dai camini di complessi industriali. Le g. idrodinamiche possono anche venire impiegate per lo studio delle prese d'aria dei reattori in effetto suolo per visualizzare i vortici fra terreno e presa d'aria che possono portare a ingestione di oggetti dal terreno durante la fase di rullaggio di un velivolo e, nell'ingegneria navale, per visualizzare i vortici attorno ai sommergibili in rapide manovre. Vedi tav. f.t.
Bibl.: P. Rebuffet, Aérodinamique expérimentale, Parigi 1950; R.C. Pankurst, D.W. Holder, Wind tunnel technique, Londra 1952; A. Pope, Wind tunnel testing, New York-Londra 1954; B. Goethert, Transonic wind tunnel testing, Londra 1961; A. Pope. J.J. Harper, Low speed wind tunnel testing, New York 1966; Wind tunnel and testing techniques, in Agard Conference Proceedings, 348 (1983); Aerodynamic data accuracy and quality: requirements and capabilities in wind tunnel testing, ibid., 429 (1988); Experimental techniques in the field of low density aerodynamics, in Agard, 318 (1991).