Windkanaltechnik - Aufbau und Vergleich der verschiedenen Windkanalbauarten

Windkanaltechnik - Aufbau und
Vergleich der Windkanalbauarten

Autor: Dipl.-Ing. Jens Magenheimer, MBA

0. Vorwort

Es steht nicht einwandfrei fest, wer den ersten Windkanal gebaut hat; wahrscheinlich deshalb, weil man schon lange vor dem Bau des ersten Windkanals aerodynamische Versuche durchgeführt hat. Und vermutlich entstand aus primitivsten Einrichtungen das, was wir heute als Windkanal bezeichnen. Man braucht nämlich nur einen Axialventilator dafür und eine Messstrecke dafür.

Pioniere bzw. einer der ersten Windkanäle wurde 1871 in England von F.H. Wenham und J. Browning gebaut um Flugzeugkonturen zu untersuchen. In Frankreich wurde 1890 von Etienne-Jules Marey ein einfacher Kanal gebaut um Strömungsuntersuchungen mittels eingebrachten Rauches an verschiedenen Konturen durchzuführen. 1899 wurde ein Kanal gebaut um die Umströmung an einer Lokomotive ­ damals das schnellste Fahrzeug- zu untersuchen.

1901 wurde von den Wright Brüdern in Dayton-Ohio ein Windkanal eigene Konstruktion gebaut, um ebenfalls Flügeluntersuchungen durchzuführen. [20]

1908-1912 entstanden die ersten Automobil-Windkanäle. Der Grundgedanke ihrer Erfindung war, dass es gleichgültig ist, ob man einen Körper relativ zur Luft bewegt oder umgekehrt die Luft relativ zu einem Körper strömen lässt. Für ein Kraftfahrzeug gilt das in der Regel nicht exakt! Denn in der Natur bewegt sich der Kraftwagen relativ zur Straße und zur Luft, während sich im Windkanal die Luft relativ zum Fahrzeug und zur Straße bewegt. Wenn man auch hier absolut naturgetreu sein will, sind Zusatzeinrichtungen nötig, die jedoch sehr aufwendig sind und oft zu anderen Verfälschungen führen. In dieser Ausarbeitung werden nicht nur die verschiedenen Winkanalbauarten verglichen sondern die jeweilig benötigten Zusatzeinrichtungen erörtert.

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Inhaltsverzeichnis

0. Vorwort 2
1. Windkanalbauarten 4
1.1 Göttinger Bauart 5
1.2 Eiffel-Bauart 6
1.3 Mischbauarten 7
1.3.1 Winkanal der NPL- oder englischer Bauart 8
1.3.2 Winkanal der SESSIA-Bauart 9
1.4 Sonderbauarten 10
1.4.1 Aeroakustischer Windkanal 10
1.4.2 Thermowindkanal 11
2. Automobilwindkanal 12
2.1 Die Aufgabengebiete der Fahrzeugaerodynamik 14
2.2 Forderung zur optimalen Messung 14
3. Messstrecke 15
3.1 Offene Messstrecke 16
3.2 Geschlossene Messstrecke 17
3.3 Streamlined Walls 18
3.4 Slotted Walls 20
4. Aerodynamische Waage 20
5. Bodengrenzschicht 24
6. Vergleich von verschiedenen Windkanalbauarten 28
7. Literaturverzeichnis 29
8. Bildverzeichnis 32

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1.0 Windkanalbauarten

Die Grundkonstruktion aller Windkanäle besteht aus einer Meßstrecke, wo der Prüfling untergebracht werden kann, einem Luftgebläse und einer Kfz-Plattformwaage. Allerdings unterscheiden sich diese Windkanäle nach der Art der Luftführung.

So baut Prof. Ludwig Prandtl (1875-1953) in der Universität Göttingen den ersten deutschen Windkanal (geschlossene Rückführung) [1],

der Architekt Alexandre-Gustave Eiffel (1832-1923), der auch den Eifelturm konstruiert hat, den ersten französischen (offene Rückführung) [2], 

im NPL-Institute (National Physical Laboratory) in England wurde der erste britische Kanal gebaut und schließlich seit Mitte der 70er Jahre wurde im Institute Aerotechnique von Saint-Cyr bei Versailles in Zusammenarbeit mit der SESSIA (Gesellschaft zur Entwicklung, Konstruktion und Instandhaltung von Windkanälen und aerodynamischer Anlagen) ein vollkommen neues Windkanalprinzip realisiert [3].

Es handelt sich um verschiedene Bauarten, die heute noch als:

- Göttinger

- Eiffel-

- NPL- oder englische

- SESSIA-

Bauart bekannt sind und in gleicher Grundform immer noch gebaut werden. Die Baupreise fangen ab 10Mio. Euro und die Betriebsstundenpreise ab ca. 2000 pro Stunde aufwärts an. Dazu kommt der enorme Energiebedarf, der bei 1:1-Kanälen niederer Geschwindigkeit (bis 75 m/s) bei einigen 1000 KW und bei mittlerer Geschwindigkeit (bis 150 m/s) bei einigen 10000 KW liegt. [4] Allen vier Bauarten sind Vor- und Nachteile eigen, die quantitativ nur im konkreten Anwendungsfall gegeneinander aufgewogen werden können.

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1.1 Göttinger Bauart

Bild 1 Windkanal Göttinger Bauart (geschlossene Rückführung)[5]

Aufbau und Funktion dieser Bauweise gehen aus dem Bild 1 hervor. Hier handelt es sich um einen Kanal mit geschlossener Luftrückführung. Das Axialgebläse fördert die Luft im geschlossenen Kreislauf. Man benötigt dafür eine relativ aufwendige Kanalröhre, die im Rechteck angeordnet ist und besonders in der Rückführung relativ große Strömungsquerschnitte erfordert. Die komplizierte Konstruktion, der enorme Platzaufwand und die hohen Baukosten sind als Nachteile gegenüber der offenen Bauart ohne Rückführung zu verzeichnen.
Da die vom Gebläse erzeugte Luftströmung wieder nach einem Umlauf zum Gebläse gelangt, hat dieser Kanaltyp kleine Energieverluste und erlaubt hohe Windgeschwindigkeiten. Da vom Gebläse nur die entstehenden Verluste aufgebracht werden müssen, ist die Antriebsleistung entsprechend geringer als bei offener Bauart ohne Rückführung und ermöglicht niedrigere Betriebskosten. Einmal wegen des geringeren Energieverbrauchs selbst, zum anderen wegen der geringeren Stromanschlusskosten, die bei größeren Windkanälen zu buche schlagen. Die Investitionen für die Antriebseinheit sind geringer, für die Röhre des , Kanals jedoch wesentlich höher als bei der reinen Eiffelbauart [5].
Die Modelle werden in der Automobiltechnik vorwiegend aus Plastilin gefertigt; dieses verliert bei höherer Temperatur seine Festigkeit. Deshalb muss bei geschlossener Rückführung der Luft, wegen der durch die Luftreibung unvermeidlichen Aufheizung, ein Kühler vorgesehen werden, welcher die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit in konstanten Grenzen hält, auch wenn er nicht als Klimawindkanal ausgelegt ist. Der

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Windkanaltechnik ­ Aufbau und Vergleich der verschiedenen Winkanalbauarten Druckverlust des Kühlers seinerseits erfordert zusätzliche Antriebsleistung; ein Teil des Vorteils einer niedrigen Antriebsleistung geht damit wieder verloren [5].

Für klimatisierte Windkanäle kommt wegen der Energiekosten nur eine Bauart mit Rückführung in Betracht; Klimakanäle wurden bisher ebenfalls nur in der Göttinger Bauweise ausgeführt. Die eigentliche Messstrecke kann im Gegensatz zur offnen Bauart beliebig ausgeführt werden, d.h. es wird keine Druckkammer benötigt.

1.2 Eiffel-Bauart

Bild 2 Eiffel-Bauart [5]

Das Hauptmerkmal des Eiffelkanales besteht darin, dass er die Versuchsluft aus der Umgebung ansaugt und sie wiederum ins Freie ausbläst. Man unterscheidet hier zwei Ausführungen je nach Lage des Gebläses in der Kanalröhre. Zum einen ist das Gebläse hinter der Messstrecke (blast type) zum anderen vor der Messstrecke (blow type) angebracht. Die Messstrecke kann als geschlossene oder als offene (Freistrahlmessstrecke) ausgeführt werden. Am einfachsten ist eine mit leicht divergierenden Wänden allseitig geschlossene Messstrecke aufzubauen. Bei etwas höherem Bauaufwand ist auch eine offene Bauweise möglich. Hierbei ist aber eine druckdichte Ummantelung nötig, da in der Messstrecke eines Eiffelkanals stets Unterdruck herrscht. [6]
Dieser im freien aufgestellte Kanaltyp, also ein Kanal ohne Rückführung, hat den wesentlichen Nachteil, dass der Messbetrieb vom Wetter abhängig ist. Er ist deshalb nur in Ländern mit gemäßigtem klima brauchbar. Besondere Schwierigkeiten bereitet es, bei einem aus dem Freien ausgehenden Eiffelkanal, die Qualität der Strömung in [...]

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