Le gallerie del vento: il funzionamento

La galleria del vento è forse l’apparecchio di laboratorio più importante nel mondo dell’aerodinamica e ingegneria del vento. A discapito della sua apparente semplicità, è un apparecchio estremamente complesso, per via di molti accorgimenti di costruzione e di uso.

Circuito aperto o chiuso?

Esistono due tipi di galleria del vento, a seconda di come è gestito il flusso d’aria all’interno. Vi sono le gallerie a circuito aperto e a circuito chiuso. Queste due gallerie del vento hanno ognuna le proprie particolarità.

Quella a circuito aperto non è altro che un tubo aperto, dotato nella parte anteriore di una sezione convergente e alla fine di un motore. In quella a circuito chiuso, come dice il nome, dopo il motore il circuito dell’aria viene riportato all’entrata.

La differenza tra queste due soluzioni sta nelle necessità che questi apparati sperimentali devono soddisfare: una galleria del vento a circuito aperto è più compatta, perché non richiede un circuito di ritorno, mentre quella a circuito chiuso permette al motore di essere più piccolo (la quantità di moto dell’aria viene mantenuta, visto che non si prende sempre nuova aria).

Di conseguenza, la scelta di una galleria del vento dev’essere fatta seguendo una serie di criteri. Quando si deve costruire una galleria del vento a circuito aperto, basta che ci sia spazio davanti per avere i profili di velocità il più possibile costanti, e dietro per evidenti rischi a possibili strutture.

Invece, la costruzione di una galleria del vento a circuito chiuso è estremamente complessa. Tutto sta nel problema che si è accennato in precedenza: la galleria del vento, nella sua camera di prova (dove vengono inseriti gli oggetti da provare), deve avere i profili di velocità il più possibile costanti. Questo è necessario per avere delle misurazioni utili. Ottenere questo è molto difficile se si deve far fare un circuito chiuso all’aria, perché le curve comportano perdite di carico e di conseguenza perdite di pressione.

Com’è fatta una galleria del vento?

Le gallerie del vento hanno dimensioni di tipo estremamente diverso. I fattori importanti delle gallerie del vento sono le camere di prova e la velocità del fluido.  Attraverso questi due parametri si può sapere se la galleria è utile per le proprie necessità.

Una prima categorizzazione rispetto la velocità del fluido divide le gallerie in subsoniche, supersoniche e ipersoniche. Tra le gallerie subsoniche vi è da fare la distinzione tra le gallerie subsoniche incomprimibili (velocità massima del fluido di 100 m/s) e quelle comprimibili (velocità massima superiore ai 100 m/s). La necessità di queste distinzioni sta nel diverso comportamento del fluido quando si raggiungono questi limiti. Con l’avvento della comprimibilità, infatti, le caratteristiche dell’aria richiedono accorgimenti diversi per i motori e la forma stessa dell’interno delle condutture.

Anche i motori devono essere scelti in maniera accurata, anche perché spesso si devono usare motori particolari. Il modo migliore è avere una sola grande ventola, con abbastanza pale da non rischiare di avere “vuoti d’aria”.

I motori della galleria sono sempre messi alla fine della camera di prova, per avere l’aria in camera dritta, e non aria che ruota, come accade al di là dei motori. Visto che i motori funzionano al meglio con l’aria alla minima velocità, dopo la camera di prova vi è un condotto divergente che a velocità subsoniche rallenta l’aria. A velocità supersoniche invece ci vuole un condotto convergente (e dopo essere arrivati a velocità soniche, la sezione diventa divergente).

Questo è il motivo per cui ci vogliono diverse strutture per velocità supersoniche. Arrivati prima della camera di prova, vi è un condotto convergente che accelera l’aria (o convergente-divergente in caso supersonico).

L’uso di una galleria del vento

Le gallerie del vento sono nate con il mondo aeronautico. Infatti, qui le gallerie del vento sono sempre state vitali, visto che l’aerodinamica dev’essere il più possibile efficiente. Un altro ambito in cui è facile trovare le gallerie del vento è il mondo dei trasporti ad alte prestazioni, quali motorsport e treni ad alta velocità. In realtà ormai è diventato uno studio importante per tutti i mezzi di trasporto, perché un’aerodinamica migliore significa un uso più efficiente di energia, di conseguenza meno emissioni.

Un altro ambito in cui sta diventando molto importante provare in galleria del vento è il mondo dello sport: per esempio, nel mondo del ciclismo e dello sci le gallerie del vento sono usate sempre più spesso per migliorare la postura e aumentare le velocità.

Un mondo che non sempre si associa con l’aerodinamica è il mondo delle costruzioni civili. Non solo i grattacieli o i ponti e viadotti vengono provati in galleria del vento. Anche interi quartieri o edifici più bassi vengono provati.

I grattacieli o le grandi opere dell’ingegneria civile vengono testate perché l’impatto del vento può aumentare sostanzialmente i carichi delle strutture. Invece, i quartieri vengono provati per giudicare se il passaggio dell’aria attraverso le costruzioni provochi un aumento di vento.