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Aerodynamisches Laboratorium
Windkanale
Zusammenfassung
Experimentelle Untersuchungen in der Aerodynamik sind notwendig, da zum einen die theo-
retische Modellierung komplizierter Stromungsvorgange oft nicht direkt moglich ist und zum
anderen die Gultigkeit numerischer Verfahren experimentell uberpruft werden muss. Aerody-
namische Experimente werden meist an Modellen in Wind- oder Wasserkanalen oder auch in
Stoßwellenrohren durchgefuhrt, da die Untersuchung der Stromung am Original aus Kosten-
grunden nur selten moglich ist. Im Unterschied zum realen Fall bleibt der zu untersuchende
Versuchskorper dabei in Ruhe, wahrend das Stromungsmedium in Bewegung gebracht und so
die gewunschte Umstromung erzeugt wird. Windkanale mit einem Antrieb konnen kontinuier-
lich betrieben werden, wahrend Druck- oder Vakuumspeicherkanale nur einen intermittierenden
Betrieb zulassen, d.h. die Messzeit betragt jeweils nur einige (Milli-)Sekunden.
1 Vorbemerkungen
Voraussetzungen fur die Verwendbarkeit von Windkanalen fur stromungstechnische Untersu-
chungen:
• Die Ahnlichkeitsgesetze sind anwendbar, so dass die Ergebnisse an Modellen im Windkanal
auf umstromte Korper in Originalgroße, insbesondere auch auf Flugzeuge im freien Flug,
ubertragbar sind.
• Die Randbedingungen fur Modelle im Windkanal und umstromte Korper in Originalgroße,
insbesondere auch fur freifliegende, sind ahnlich (z.B. Bedingung des Freistrahlrandes,
Oberflachenrauhigkeit, Turbulenzgrad der Anstromung etc.).
• Ein Windkanal muss derart gebaut sein, dass in der Messstrecke ein Luftstrom mit zeitlich
und raumlich konstanter Geschwindigkeitsverteilung erzeugt wird.
1.1 Ahnlichkeitskennzahlen
Die Einhaltung samtlicher Ahnlichkeitsgesetze in einem Versuch ist in der Regel nicht moglich.
Man beschrankt sich daher darauf, die fur das zu untersuchende Problem entscheidende Kennzahl
zu ermitteln und im Versuch einzuhalten.
Fur stationare Experimente bei kleinen Geschwindigkeiten genugt es beispielsweise, die gleiche
Reynoldszahl wie bei der Großausfuhrung zu realisieren. Dagegen ist es bei Versuchen mit hohe-
1
ren Geschwindigkeiten bzw. Machzahlen nur sehr schwer moglich, die Ahnlichkeit der Reynolds-
zahl neben der der Machzahl einzuhalten. Es gibt Windkanale, die dies durch Aufpumpen der
Messstrecke (hoherer Ruhedruck) und starke Kuhlung (Verringerung der Zahigkeit) erreichen.
Ein Beispiel hierfur ist der”Europaische Transsonische Windkanal“ (ETW) in Koln (Abb. 1, 2)1.
Abbildung 1: Betriebsbereich des ETW
Abbildung 2: ETW-Messstrecke mit Modell
1http://www.etw.de/windtunnel/fr windtunnel.htm
2
Die am haufigsten zu berucksichtigenden Kennzahlen sind:
Reynoldszahl Re =ρ u l
η=
u l
ν=
TragheitskraftZahigkeitskraft
Machzahl Ma =u
a=
StromungsgeschwindigkeitSchallgeschwindigkeit
Knudsenzahl Kn =lml
=mittlere freie Weglangecharakteristische Lange
Prandtlzahl Pr =η cpλ
= ReibungswarmeTemperaturleitfahigkeit
Strouhalzahl Sr =2 π f l
u=
ω l
uKennzahl periodischer Stromungsvorgange
Sr → 0 : quasistationare Stromung
Nusseltzahl Nu =α l
λ=
WarmeubergangWarmeleitung
Stantonzahl St =Nu
Re Pr=
α
ρcpu∞=
Warmeubergangkonvektiver Warmetransport
2 Einteilung der Windkanale
2.1 Einteilung nach der Machzahl
- Unterschallkanal (inkompressibel) 0 < Ma < 0,25
- Unterschallkanal (kompressibel) 0,25 ≤ Ma < 0,7
- Transsonikkanal 0,7 ≤ Ma < 1,2
- Uberschallkanal 1,2 ≤ Ma < 5
- Hyperschallkanal 5 ≤ Ma
Bei den Hyperschallkanalen unterscheidet man”kalte“ und
”heiße“ Kanale, je nachdem ob nur
die Machzahl oder auch die Ruhetemperatur richtig simuliert wird. Im letzteren Fall kann man
auch Realgaseffekte untersuchen.
2.2 Einteilung nach der Betriebsdauer
Kontinuierlich arbeitende Kanale Intermittierend arbeitende Kanale
Windkanale mit geschlossener Ruck- Vakuumspeicherkanal (Abb. 12–17),
fuhrung (Abb. 6-11), Druckspeicherkanal
Plasmakanal, Stoßrohr (Abb. 3, 4, 18–20),
MHD-Kanal (magneto-hydrodynamischer Injektorkanal, Rohrwindkanal,
Kanal). Kryo-Stoßwellenkanal, Gun-Tunnel.
3
Abbildung 3: Stoßrohr-Transschallkanal (STk) des Stoßwellenlabors der RWTH Aachen2
Abbildung 4: Betriebsbereich des STk
2Th. Reichel, Stoßwellenlabor der RWTH Aachen, Personliche Mitteilung
4
2.3 Einteilung nach der Bauart
2.3.1 Eiffel – Windkanal
Dieser Windkanaltyp besitzt keine Ruckfuhrung des Stromungsmediums. Der einfachste Eiffel-
kanal besteht aus einer Rohre mit Geblase, wobei die Luft aus der Umgebung angesaugt wird.
Die meisten vorhandenen Windkanale sind jedoch aufwandiger gebaut. Eiffelkanale werden oft
fur die Bauwerksaerodynamik verwendet, besitzen geringe Baukosten bei großen Abmessungen
und arbeiten vornehmlich im niedrigen Geschwindigkeitsbereich bis 40 m/s.
Um ein gleichformiges und turbulenzarmes Geschwindigkeitsprofil in der Messstrecke zu erhal-
ten, braucht man eine Duse mit einem Kontraktionsverhaltnis von AK/AD = 5 . . . 20. Eine
weitere Verbesserung der Geschwindigkeitsverteilung erreicht man durch Einbauten (Gleichrich-
ter, Siebe) vor der Messstrecke: Große Kontraktion bedeutet relativ kleine Geschwindigkeit in
der Vorkammer und damit geringe Verluste durch Einbauten.
Um die Betriebskosten gering zu halten (bei einem einfachen Windkanal tritt der gesamte Stau-
druck der Messkammer (ρ · u2)/2 als Verlust auf), verwendet man Diffusoren zur Druckruckge-
winnung.
Im Messquerschnitt herrscht Unterdruck (bei offener Messstrecke wird eine Unterdruckkammer
benotigt), Luftaustritt erfolgt durch einen Diffusor ins Freie (Ruckfuhrung auch innerhalb einer
Halle moglich, d.h. Unabhangigkeit von der Witterung). Das Geblase wird meist am Ende des
Windkanals installiert. Ein langer Diffusor bedeutet: hoher Druck-Ruckgewinn, aber hohere
Baukosten; bei sehr langem Diffusor nehmen jedoch die Verluste durch Wandreibung zu.
Abbildung 5: Transschallwindkanal des ILR der TU Berlin
Der in Abb. 5 abgebildete Windkanal des Instituts fur Luft- und Raumfahrt der TU Berlin3
ist ein kontinuierlich betriebener Eiffel–Saugkanal und dient zur Untersuchung von Trans- und
Uberschallstromungen. Die Messstrecke hat einen Querschnitt von 150 × 150 mm2.
3/http://Aero.ILR.tu-berlin.de/Forschung/forversuchsanlagen.html
5
Vorteile des Eiffelkanals sind einfache Bauweise und damit niedrige Baukosten. Der Gutegrad
ist nur hoch bei entsprechend aufwendigem Diffusor (Kurzdiffusor = Diffusor mit großem Off-
nungswinkel - bis zu 35◦ - und inneren Leitflachen, um Ablosung zu vermeiden). Ein Eiffelkanal
benotigt keine Umlenkvorrichtungen und ist nicht fur Selbstverschmutzung anfallig.
Nachteile bestehen darin, dass bei offener Messstrecke der Messstrahl durch eine Unterdruck-
kammer umbaut werden muss. Beim Betrieb eines Eiffelkanls ist man von den Ansaugzustanden
abhangig. Eiffelkanale zeichnen sich durch einen relativ geringen Gutegrad bei gleichzeitig hohen
Betriebskosten aus.
2.3.2 Gottinger Windkanal
Bei einem Windkanal dieser Bauart wird das Stromungsmedium vom Messsquerschnitt durch
Diffusoren und Umlenk–Ecken zur Vorkammer zuruckgefuhrt. Die optimale Erweiterung der
Diffusoren (αopt/2 = 3 . . . 4◦) fuhrt bei gegebenem Messquerschnitt und Kontraktionsverhaltnis
zu Mindestbaulangen. Das Geblase soll moglichst weit vor der Messstrecke angeordnet sein,
damit Storungen (Drall, Ungleichformigkeit durch Nabe) abklingen konnen.
Vorteile: Bei offener Messstrecke herrscht im Messstrahl Umgebungsdruck, und die Messstrecke
ist leicht zuganglich. Der Gutegrad (also das Verhaltnis von Strahlleistung zu Geblaseleistung)
kann – insbesondere bei geschlossener Messstrecke – Hochstwerte erreichen. Man ist unabhangig
von Ansaugbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit).
Nachteile: Hohe Baukosten wegen des großeren Platzbedarfs; Selbstverschmutzung bei Zugabe
von Fremdstoffen (z.B. Rauch fur die Sichtbarmachung der Stromung).
Es gibt auch Windkanale Gottinger Bauart fur hohere Stromungsgeschwindigkeiten, wie zum
Beispiel den Transsonikwindkanal des DLR Gottingen (Abb. 6, 7, 8)4:
Abbildung 6: Transsonikwindkanal des DLR Gottingen (TWG)
4http://www.wk.go.dlr.de/
6
Abbildung 7: Plenumkammer und Messstrecke des TWG
Abbildung 8: Betriebsbereich des TWG
7
3 Windkanale des Aerodynamischen Instituts
3.1 Niedergeschwindigkeitskanal
Abbildung 9: Niedergeschwindigkeits–Windkanal des AIA
Abbildung 10: Duse und Messstrecke des Niedergeschwindigkeits–Windkanals
Der Windkanal fur kleine Geschwindigkeiten des Aerodynamischen Instituts der RWTH Aachen
ist als Gottinger Standardtyp gebaut. Es handelt sich um einen stationar betriebenen Umlauf-
windkanal, bei dem immer die gleiche Luft im geschlossenen Kreislauf mit Hilfe eines einstu-
figen Axialgeblases mit einer maximalen Antriebsleistung von 100 kW umgewalzt wird. Die
Messstrecke ist offen und hat einen Durchmesser von 1,2 m. Die maximal erreichbare Windge-
schwindigkeit betragt 60 m/s (216 km/h), sie ist also klein gegenuber der Schallgeschwindigkeit.
Kompressibilitatseinflusse konnen deshalb nicht untersucht werden.
8
Weitere technische Daten des Niedergeschwindigkeits–Windkanals:
Reynoldszahl [Re/m] max. 4 × 106
Messstreckenlange 1.80 m
Gesamtlange des Kanals 51.6 m
Turbulenzgrad 0.1 - 0.3 %
Untersuchungen Gebaudeaerodynamik
Grenzschichtuntersuchungen
Transition (ebene Platte, Flugel)
Naher Nachlauf
Randwirbel (Flugel)
Eingesetzte Messtechnik Druckmessung
Kraft- und Momentenmessung
Hitzdraht- und Heißfilmtechnik
Sichtbarmachung mit Olanstrich
Laseroptische Verfahren
3.2 Trisonik-Windkanal
In diesem Kanal konnen Unterschall-, Transschall- und Uberschallanstromungen bei Machzahlen
von 0.2 bis 4.0 realisiert werden. Der Saugkanal wird intermittierend betrieben und erlaubt
Messzeiten von 2 bis 5 Sekunden. Die Luft wird dabei aus einem Luftsack durch den Windkanal
in einen Vakuumkessel gesogen.
1
1 L u f t s a c k , V e f f = 1 6 5 m ³2 Z w i s c h e n s t ü c k3 D ü s e n v o r k a m m e r4 v e r s t e l l b a r e L a v a l d ü s e5 M e s s s t r e c k e m i t S i c h t f e n s t e r6 v e r s t e l l b a r e r D i f f u s o r
7 S c h n e l l s c h l u s s s c h i e b e r 8 K e s s e l a n l a g e , V g e s = 3 8 0 m ³ 9 R ü c k f ü h r u n g1 0 S c h r a u b e n v e r d i c h t e r1 1 A b s p e r r s c h i e b e r
2 3 4 5 6 7 8
91 01 11 2
Abbildung 11: Schematische Darstellung des Trisonik-Windkanals des AIA
Zwischen zwei Versuchen wird die Luft aus der Vakuumkesselanlage durch ein Trockenbett mit
Silicagel©R in den Luftsack zuruckgepumpt, bis der Druck im Kessel auf ca. 100 hPa gesun-
9
ken ist. Gestartet und beendet wird ein Versuch durch Offnen bzw. Schließen eines Schnell-
schlussschiebers zwischen Kanal und Kessel. Der Ruhedruck im Luftsack entspricht stets dem
Umgebungsdruck und kann folglich als konstant angenommen werden. Aus dem Aufbau und der
Betriebsart des Windkanals ergibt sich somit, dass die Ruhegroßen des Versuchs – bis auf die
relative Luftfeuchtigkeit – immer den Umgebungsbedingungen in der Versuchshalle entsprechen.
Des weiteren folgt daraus, dass die Reynoldszahl, abgesehen vom geringen Einfluss wetterbe-
dingter Schwankungen, ausschließlich von der Machzahl und der Modellgroße abhangt. Bei einer
Profiltiefe von 150 mm und Machzahlen von 0.50 bis 0.80 liegen die Reynoldszahlen zwischen
1.5 und 2.2 Millionen.
Abbildung 12: Trisonik-Windkanal
10
3.3 Uberschall-Windkanal
Analog zum Trans- und Trisonikkanal wird dieser supersonische Windkanal intermittierend im
Saugprinzip betrieben und ist mit vier Vakuumkesseln verbunden.
2
1
3 4 5 6
1 S i l i c a g e l - T r o c k e n f i l t e r2 L a v a l d ü s e3 M e s s s t r e c k e 1 5 x 1 5 c m ²4 v e r s t e l l b a r e r D i f f u s o r5 S c h n e l l s c h l u s s s c h i e b e r6 V a k u u m k e s s e l ( 4 x 9 5 m ³ )
Abbildung 13: Uberschall-Windkanal des AIA
Abbildung 14: Meßstrecke des Uberschall-Windkanals
Weitere technische Daten des Uberschall-Windkanals:
Machzahl 0.3–0.9, 1.5–2.9
Reynoldszahl [Re/m], Uberschall 10.4–5.7 × 106/m
Messstrecke 150 × 150 mm
Messzeit max. 30s bei Ma∞ = 2.1
Gesamtlange des Kanals 7.1 m
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3.4 Stoßrohr
Stoßrohre (meist zylindrisch) bestehen prinzipiell aus einem Hochdruck- und einem Niederdruck-
teil, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Die Durchfuhrung von Versuchen erfolgt
im Niederdruckteil, wo sich das Gas vor dem Versuch in einem definierten Zustand (Druck p1,
Dichte ρ1 und Temperatur T1) befindet. Das Gas im Hochdruckteil besitzt die entsprechenden
Eigenschaften p4 (bis zu einigen MPa), ρ4 und T4. Meist werden Luft oder Stickstoff als Gase im
Niederdruck- und im Hochdruckteil eingesetzt, in letzterem jedoch auch Helium und Wasserstoff.
Abbildung 15: Weg-Zeit-Diagramm eines Versuchs im Stoßrohr
Die Abbildung 185 zeigt die wahrend eines Versuchs auftretenden Zustande. Zu Beginn eines
Versuchs wird die durch die Druckdifferenz gespannte Membran zum Bersten gebracht, so dass
stromab in das Gas im Niederdruckteil ein Verdichtungsstoß und stromauf in das Gas im Hoch-
druckteil ein Expansionsfacher laufen. Beide Gase bewegen sich nun mit gleicher Geschwin-
digkeit in Richtung Niederdruckteil und sind durch eine Kontaktflache voneinander getrennt.
Fur gasdynamische und aerodynamische Untersuchungen wird das durch den einfallenden Stoß
komprimierte und gleichzeitig beschleunigte Gas des Niederdruckteils als Versuchsmedium mit
den Anstrombedingungen Ma2, p2, ρ2 und v2 verwendet. Die Messzeit beginnt, wenn der Stoß
den Versuchskorper passiert hat, und endet, wenn der am hinteren Ende reflektierte Stoß mit
der Kontaktflache zusammentrifft. Die Messzeit betragt im allgemeinen einige Mikro- bis einige
Millisekunden.
5Th. Reichel, Stoßwellenlabor der RWTH Aachen, Personliche Mitteilung
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Abbildung 16: Doppeltes Stoßrohr des AIA
Abbildung 17: Doppeltes Stoßrohr des AIA
Technische Daten des AIA-Stoßrohrs:
Machzahl 1.1 - 1.6
Meßstrecke Ø150 mm
Gesamtlange des Kanals 4.5 m
Uberdruck max. 17000 hPa
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Literatur
[1] H. Eckelmann. Einfuhrung un die Stromungsmeßtechnik. Teubner, Stuttgart, 1997.
[2] U. R. Mueller. Stromungsmeßverfahren I. Vorlesung RWTH Aachen, 1994.
[3] W. Nitsche. Stromungsmeßtechnik. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1994.
[4] H. Oertel. Stoßrohre. Springer-Verlag, 1966.
[5] L. Prandtl and K. O. und K. Wieghardt. Fuhrer durch die Stromungslehre. Vieweg-Verlag,
Braunschweig, 1990.
[6] H. S. und Ewald Kunz. Stromungslehre, mit einer Einfuhrung in die Stromungsmeßtechnik
von J.-D. Vagt. de Gruyter, Berlin, 1989.
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AerodynamischesLaboratorium
1Windkanäle
Warum experimentelle ● theoretische Modellierung komplizierterUntersuchungen? Strömungsvorgänge nicht immer möglich
● Überprüfung numerischer Verfahren
○ Modelle in Wind-, Wasserkanälen oder im Stoßrohr
○ untersuchter Körper ruht, Strömungsmedium bewegt sich
○ Ähnlichkeitsgesetze anwendbar ⇒ Ergebnisse sind übertragbar
○ ähnliche Randbedingungen (Oberflächenrauhigkeit, Turbulenzgrad...usw.)
○ Bedingung: zeitlich und räumlich konstante Geschwindigkeitsverteilung
○ Einhaltung sämtlicher Ähnlichkeitsgesetze nicht immer möglich (z. B. Re u. Ma)
EINLEITUNG
AerodynamischesLaboratorium
2Windkanäle
Einteilung nach der Machzahl Unterschallkanal (inkompressibel) 0 < M∞ < 0.25
Unterschallkanal (kompressibel) 0.25 ≤ M∞ < 0.7
Transsonikkanal 0.7 ≤ M∞ < 1.2
Überschallkanal 1.2 ≤ M∞ < 5
Hyperschallkanal 5 ≤ M∞
Einteilung nach der Betriebsdauer○ kontinuierlich arbeitende Kanäle (geschlossene Rückführung)
○ intermittierend arbeitende Kanäle (Druck- oder, Vakuumspeicherkanal, Stoßrohr)
EINTEILUNG VON WINDKANÄLEN
AerodynamischesLaboratorium
3Windkanäle
Einteilung nach der Bauart
E i f f e l - W i n d k a n a l
keine Rückführung des Strömungsmediums (Versuchsluft aus Umgebung)
einfachste Bauart z. B. Rohr mit Gebläse (Bauwerksaerodynamik)
Vorteile: einfache Bauweise (keine Umlenkung), niedrige Baukosten, keine Selbstverschmutzung (z. B. durch Rauch)
Nachteile: offene Messstrecke erfordert evtl. Unterdruckkammer, Abhängigkeit von Ansaugzuständen (Feuchtigkeit, Temperatur), relativ geringer Gütegrad, hohe Betriebskosten (kontinuierliche Geschwindigkeit halten)
EINTEILUNG VON WINDKANÄLEN
AerodynamischesLaboratorium
4Windkanäle
Einteilung nach der Bauart
G ö t t i n g e r W i n d k a n a l
○ Rückführung des Strömungsmediums durch Diffusoren und Umlenkungen zur Vorkammer
○ Vorteile: offene Messstrecke somit Umgebungsdruck im Messstrahl, hoher Gütegrad (Strahlleistung zu Gebläseleistung, besonders wenn Messstrecke geschlossen), unabhängig von Umgebungsbedingungen
○ Nachteile: hohe Baukosten wegen Platzbedarf, Selbstverschmutzung (z. B. Rauch)
EINTEILUNG VON WINDKANÄLEN
AerodynamischesLaboratorium
5Windkanäle
129 m
Abmessung Messstrecke : 6 x 6 m u∞ = 152 m/s Re = 6 x 106
8 x 6 m u∞ = 116 m/s Re = 5,5 x 106
9.5 x 9.5 m u∞ = 62 m/s Re = 3,9 x 106
DNW- LLF
Fanleistung: 12,5 MW
BEISPIELE EXISTIERENDER WINDKANÄLE
AerodynamischesLaboratorium
6Windkanäle
DNW – LLF
Simulation des Bodeneffekts mit sog. „moving belt“
Aachener Hyperschallkonfiguration ELAC 1a
BEISPIELE EXISTIERENDER WINDKANÄLE
AerodynamischesLaboratorium
7Windkanäle
Rennwagen 1:1 mit „moving belt“ Lastkraftwagen 1:1
DNW – LLF
BEISPIELE EXISTIERENDER WINDKANÄLE
AerodynamischesLaboratorium
8Windkanäle
Trisonik-Windkanal Aachen
BEISPIELE EXISTIERENDER WINDKANÄLE
AerodynamischesLaboratorium
9Windkanäle
Trisonik-Windkanal Aachen
BEISPIELE EXISTIERENDER WINDKANÄLE
Stoß-Wirbel-Interaktion (Grundlagenforschung)
Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung (Grundlagenforschung)
AerodynamischesLaboratorium
10Windkanäle
European Transonic Wind Tunnel (ETW) Köln
Machzahl:0,15 - 1,35
Temperatur:313K (+49°C) - 110 K (-163°C)
Druck:1,25 bar - 4,5 bar
BEISPIELE EXISTIERENDER WINDKANÄLE