Una galleria del vento è un'apparecchiatura che viene utilizzata in laboratorio per studiare l'andamento di un flusso di un fluido (tipicamente aria) attorno ad un corpo, simulandone l'interazione con buona approssimazione alla realtà.
Descrizione Le misure che si effettuano sono tipicamente misure di: velocità globali e locali, misure di pressione, di temperatura e forze esercitate dal fluido sul corpo. In galleria del vento vengono anche effettuate le cosiddette visualizzazioni dei campi di pressione, temperatura e di forza che si stabiliscono sulla superficie del corpo oppure del campo di velocità del flusso. Nel primo caso la superficie del corpo viene rivestita con delle particolari sostanze sensibili alla temperatura, alla pressione oppure alle forze di attrito.
Nel secondo caso vengono utilizzati dei particolari traccianti, come le sostanze coloranti o dei fumi che permettono di visualizzare l'andamento del flusso attorno al corpo. Un altro modo per effettuare le visualizzazioni è quello di usare dei filetti di lana attaccati alla superficie del corpo oppure a dei sostegni che poi vengono opportunamente movimentati per andare a studiare delle particolari zone del campo.
Nelle gallerie ad acqua vengono usati come traccianti anche degli inchiostri oppure delle sostanze opache come il latte, che ha il vantaggio di non essere inquinante e di costare poco, oltre ad avere una densità molto simile a quella dell'acqua. Nelle gallerie supersoniche (ma in generale in tutte le gallerie con flusso comprimibile) le visualizzazioni vengono fatte sfruttando il fenomeno della rifrazione della luce che attraversa due sostanze con differenti densità.
La possibilità di effettuare prove in galleria del vento si basa sul cosiddetto principio di reciprocità, il quale afferma che dal punto di vista del valore delle grandezze fisiche che vengono misurate e dell'andamento dei flussi sul corpo, è indifferente muovere un corpo in un fluido fermo o muovere il fluido attorno ad un corpo fermo.
Classificazione
Le gallerie del vento si dividono in due categorie principali: gallerie a ciclo aperto gallerie a ciclo chiuso
Un'altra classificazione delle gallerie del vento distingue queste ultime rispetto alla velocità del flusso in camera di prova: gallerie subsoniche incomprimibili se il numero di Mach della corrente è compreso tra 0 e circa 0,3; gallerie subsoniche comprimibili se il Mach della corrente è compreso tra circa 0,3 e circa 0,8; gallerie transoniche se il Mach della corrente è compresa tra 0,8 e 1,2; gallerie supersoniche se il Mach della corrente è compreso tra 1,2 e 5; gallerie ipersoniche se il Mach della corrente è superiore a 5.
Gallerie a ciclo aperto
Le gallerie a ciclo aperto nella parte frontale sono composte generalmente da una bocca e da un condotto a sezione costante (di solito a sezione o circolare o rettangolare) dove sono posti alcuni dispositivi atti a controllare la qualità del flusso in ingresso. A questo condotto ne segue un altro (a sezione circolare o rettangolare) di tipo convergente, il quale termina nel punto di inizio della camera di prova che è a sezione costante ed in cui viene inserito il modello dell'oggetto di cui si vuole studiare la fluidodinamica; nella camera di prova la velocità raggiunta dal fluido è la più elevata, e precisamente deve essere al massimo quella di progetto.
Alla camera di prova segue un condotto divergente (generalmente a sezione circolare) che è chiamato divergente o diffusore. In un determinato punto del divergente è presente il motore, elettrico e carenato, a cui sono collegate una o più ventole. Le ventole hanno il compito di trasferire l'energia cinetica generata dal motore al fluido, che viene così aspirato nella sezione di prova. A questi componenti segue un ulteriore condotto divergente per la compressione del flusso ed infine la sezione di espulsione per lo scarico del flusso nell'ambiente esterno.
È importante tener conto che le ventole, che come detto prima hanno il compito di trasferire al fluido l'energia cinetica fornita dal motore, sono poste a valle della camera di prova; questo perché esse, oltre a fornire al fluido l'energia cinetica necessaria, generano anche una serie di vortici e di turbolenza verso valle, la cui presenza in camera di prova, e quindi sul modello, andrebbero completamente ad alterare il valore delle misure effettuate.
Gli svantaggi di una galleria aperta sono la rumorosità e l'apparente perdita di energia che si ha a causa dello scarico in atmosfera del fluido accelerato. In realtà quest'ultimo svantaggio non si verifica del tutto. Questo perché se si unisse l'uscita del flusso dalla galleria con l'ingresso e si realizzasse quindi una galleria chiusa (come è descritta sotto) si verificherebbero delle perdite di carico (cioè perdite di energia del fluido dovute all'attrito). Questo spiega il perché ancora oggi esistono e vengono utilizzate, in caso di prove a modeste velocità, le gallerie del vento a ciclo aperto.
Uno svantaggio ben più consistente di quello appena descritto è dato dal fatto che la camera di prova è chiusa e la pressione al suo interno è più bassa di quella esterna (si veda a tal proposito il teorema di Bernoulli). Proprio a causa di questo la camera di prova deve essere sigillata in maniera perfetta per evitare un'infiltrazione di fluido dall'esterno che, essendo a pressione maggiore, penetrerebbe nella camera alterando significativamente l'andamento dei flussi attorno al modello e quindi le misure effettuate.
Gallerie a ciclo chiuso Le gallerie a ciclo chiuso possiedono gli stessi componenti principali delle gallerie a ciclo aperto. L'unica differenza è che il flusso invece di essere espulso all'esterno della galleria viene fatto ricircolare al suo interno. I vantaggi rispetto alla soluzione aperta sono nella possibilità di variare le caratteristiche del fluido usato (pressione, temperatura, umidità, viscosità e così via) e di poter utilizzare una camera di prova aperta o semiaperta, con notevoli semplificazioni in termini di logistica nel posizionare i modelli da provare. Le gallerie a ciclo chiuso devono essere equipaggiate con scambiatori di calore e radiatori capaci di raffreddare il fluido che man mano che scorre si riscalda in maniera consistente, con la possibilità di alterare le misure effettuate.
Gallerie supersoniche Le gallerie del vento supersoniche sono utilizzate principalmente per provare gli effetti del corpo su un flusso gassoso supersonico. Nel flusso attorno al corpo saranno infatti presenti le onde di Mach, le onde di compressione, di espansione e le onde d'urto. Inoltre, diventa un parametro fondamentale per le simulazioni l'effetto della temperatura del fluido che non è più trascurabile così come le variazioni di densità che, già per velocità nell'ordine di Mach 0,3, non sono più trascurabili.
Le gallerie del vento supersoniche sono sostanzialmente di tre tipi.
Il primo tipo prevede, per realizzare un flusso supersonico, un grande serbatoio a valle della camera di prova, dentro al quale si realizza un vuoto spinto. Per effettuare la prova si apre una valvola e il gas fluisce velocissimamente attraverso un condotto appositamente sagomato, dall'ambiente esterno verso il serbatoio che si sta aprendo.
Il secondo tipo di galleria del vento supersonica si può realizzare riempiendo a pressione un grande serbatoio a monte della camera di prova. Per realizzare il flusso supersonico si apre così una valvola ed il gas fluisce velocissimamente dal serbatoio ad alta pressione verso la camera di prova.
Questi tipi di gallerie hanno l'inconveniente di realizzare un flusso intermittente poiché i serbatoi, una volta aperti, necessitano di un certo periodo di tempo per essere svuotati o riempiti di nuovo fino alle condizioni iniziali, rendendo quindi impossibile praticare delle prove in modo continuo.
Tale inconveniente può essere superato con il terzo tipo di galleria supersonica, che si può realizzare come una galleria tradizionale chiusa di tipo subsonico ma con un flusso supersonico nella sezione di prova. Questo comporta delle enormi difficoltà e dei costi molto elevati poiché sorgono dei problemi nelle fasi di avviamento della galleria che rendono indispensabile il ricorso ad una geometria variabile. Ulteriori differenze, soprattutto in termini di difficoltà costruttive, complessità ed aumento di costo, sono rappresentate dall'esigenza, in caso di galleria supersonica, di avere un sistema di essiccamento del fluido.
Si ricordi che il comportamento di un flusso supersonico è radicalmente diverso da quello di un flusso subsonico. Nel caso di un flusso supersonico infatti, se la sezione del condotto aumenta, la velocità tenderà ad aumentare ulteriormente e non a diminuire come accade invece nel caso di un flusso subsonico. Questo spiega il motivo per cui alcuni componenti di una galleria supersonica vengono realizzati in modo diverso rispetto a quelli di una galleria subsonica. Ad esempio, in una galleria supersonica prima della camera di prova verrà messo un condotto convergente-divergente e non solo un convergente perché con il primo tratto convergente si realizzerà un flusso sonico (numero di Mach unitario) che poi entrando nel condotto divergente diventerà supersonico.
Dimensioni Le gallerie del vento hanno dimensioni variabili a seconda delle esigenze. Prendendo per esempio le camere di prova, si va da galleria con dimensioni al di sotto del metro quadro di sezione, fino all'enorme galleria del vento della NASA di Ames con una camera di prova di 24x36 metri. Lo sviluppo delle gallerie del vento ha avuto un'enorme accelerazione durante la guerra fredda grazie anche agli enormi capitali investiti dai governi Russi e Statunitensi. In queste nazioni si trovano le gallerie del vento più grandi e potenti al Mondo, alcune capaci di arrivare fino a Mach 25 per i test delle navicelle spaziali di rientro sulla Terra.
Naturalmente il costo di costruzione e di utilizzazione di una galleria del vento varia a seconda delle sue dimensioni e delle caratteristiche sia del flusso che si realizza, che delle caratteristiche geometriche stesse della galleria. È per questo che le gallerie a ciclo aperto sono le più semplici ed economiche ma hanno prestazioni limitate, mentre le gallerie a ciclo chiuso hanno costi più alti sia in termini di manutenzione che di costruzione e di utilizzo, ma una qualità del flusso molto elevata.
Le gallerie del vento nel panorama internazionale e nazionale Le gallerie del vento, ispirate alle realizzazioni di Eiffel a Parigi e Prandtl a Gottinga all'inizio del XX secolo, hanno avuto vasta diffusione soprattutto negli ultimi 30 anni (solo in Giappone, nell'ultimo decennio, ne sono state realizzate 1000), dando luogo a molteplici attrezzature distribuite fra il settore pubblico, l'industria privata ed il mondo accademico. Esse comprendono tre tipi di impianti rivolti, rispettivamente, al settore aeronautico, alle prove sui veicoli ed alle misure civili e ambientali.
L'Italia possiede numerosi impianti nei campi aeronautico e veicolare (basti ricordare le gallerie della Ferrari, della Pininfarina e la galleria del vento al plasma del Centro Italiano Ricerche Aerospaziali di Capua). Dispone invece di quattro sole gallerie per uso civile e ambientale - la prima , realizzata a Prato dal CRIACIV, ha medie dimensioni; la seconda , realizzata a Milano dal CIRIVE al Politecnico, è la più grande d'Europa - insufficienti a fronteggiare le crescenti richieste del mercato italiano. La galleria del vento DICAT-DIFI a Genova, inaugurata nel 2008, è caratterizzata da proprietà complementari rispetto alle gallerie di Prato e Milano: in questo modo contribuirà a realizzare una rete di laboratori, ciascuno dotato di caratteristiche sue peculiari.