Windkanal

Ein Windkanal dient dazu, die aerodynamischen und aeroakustischen Eigenschaften von Objekten zu untersuchen und zu vermessen.

Windkanal der NASA mit dem Modell eines Flugzeugs

Am bekanntesten sind wohl die Windkanaluntersuchungen von Flugzeugen und Autos. Während bei Autos hauptsächlich ein niedriger Luftwiderstand und optimale Auftriebswerte erzielt werden sollen, spielen bei Flugzeugen wesentlich mehr Aspekte eine Rolle: neben Luftwiderstand und Auftrieb auch Tragflächenprofil, Stabilität, Steuerung usw. Daneben werden inzwischen auch Eisenbahnzüge und Schiffe im Windkanal untersucht.
Wichtig ist mittlerweile auch die Untersuchung von Bauwerken wie Hochhäusern, Schornsteinen und Brücken. Hier muss darauf geachtet werden, dass diese bei Stürmen dem Winddruck und vor allem den Windkräften standhalten und nicht in kritische Schwingungen nahe der Eigenschwingung geraten. Um die Windströmung richtig simulieren zu können, muss dafür manchmal die gesamte nähere Umgebung modelliert werden. Nur selten können Objekte in Originalgröße im Windkanal untersucht werden; Autos bilden hier eine Ausnahme, da sie nicht allzu groß sind und die relativ niedrigen Luftgeschwindigkeiten ausreichend große Windkanäle erlauben.

Für Flugzeuge oder Gebäude müssen meist maßstabsgerechte Modelle gebaut werden. Ein Problem besteht jedoch darin, dass die Luft sich bei kleinen Modellen anders verhält als bei den Objekten in ihrer tatsächlichen Größe (siehe Reynolds-Zahl). Durch Erhöhung des Luftdrucks und/oder Verringerung der Temperatur lassen sich jedoch die Lufteigenschaften dem Maßstab des Modells anpassen. In manchen Windkanälen wird daher statt mit Luft mit -160 °C kaltem Stickstoff gearbeitet.

Aufbau

Windkanäle bestehen aus einem oder mehreren Gebläsen, die die Luftströmung erzeugen, Gleichrichterelementen, die für eine möglichst gleichmäßige, unverwirbelte Strömung sorgen sollen, einer Düse zur Beschleunigung des Luftstromes sowie der eigentlichen Messstrecke, in der die Untersuchungen durchgeführt werden. Die Strömung in der Messstrecke soll dabei möglichst gleichförmig, parallel, turbulenz- und lärmarm sein. Eine quantitative Aussage über die turbulenten Schwankungsgeschwindigkeiten macht der Turbulenzgrad des Windkanals. Die Messstrecke kann, wie in der Grafik dargestellt, offen sein, d.h. die Strömung wird von der Düse in eine Messhalle ausgeblasen und an der anderen Messhallenseite von einem Auffänger oder Kollektor aufgefangen, wobei sich in der Messhalle eine Scherschicht zwischen der bewegten und der stehenden Luft aufbaut. Es gibt jedoch auch geschlossene Messstrecken, in denen die Strömung auch in der Messstrecke durch Wände geführt wird, und geschlitzte Messstrecken, bei denen einige dieser Wände mit Schlitzen versehen sind.

Geschlossener Umlaufwindkanal in Göttinger Bauart für den subsonischen Geschwindigkeitsbereich

Auch die Luftführung von Windkanälen kann offen oder geschlossen sein. Bei der offenen Bauweise wird die Luft aus der Umgebung angesaugt, fließt durch die Messstrecke und entweicht am anderen Ende wieder ins Freie. Geschlossene Luftführungen sind ringförmig. Hier wird die nach der Messstrecke vom Kollektor aufgenommene Luftströmung wieder dem Gebläse zugeführt. Tiefe Temperaturen und hoher Druck können nur in geschlossenen Windkanälen erzeugt werden (Klimawindkanal). Windkanäle für Unterschallgeschwindigkeiten können mehrere Meter Durchmesser haben, dagegen schrumpft die Größe von Windkanälen für den hohen Überschallbereich auf wenige Zentimeter zusammen.

Windkanalexperimente sind hauptsächlich wegen des hohen Investitionsaufwands bei der Erstellung stets mit hohen Kosten verbunden. Daher versucht man heute zunehmend, die Versuche durch numerische Strömungssimulation (CFD, computational fluid dynamics) zu ersetzen. Die Phänomene werden bereits heute recht gut abgebildet. Von der Vision, Windkanalexperimente durch numerische Simulation zu ersetzen, ist man jedoch in der Realität noch weit entfernt. Dies gilt um so mehr für die aeroakustische Simulation (CAA, Computational Aeroacoustics).

Windkanäle lassen sich nach ihrer Betriebsweise wie folgt klassifizieren:

Gebläse-betriebene Windkanäle

1. Offener Kanal oder Eiffel-Windkanal: saugt Testgas aus der Atmosphäre an und bläst es wieder in diese aus.
2. Geschlossener Kanal oder Prandtl-Kanal: führt das Testgas in einem geschlossenen Kreislauf zurück. Ermöglicht Variation von Betriebsdruck und Betriebstemperatur
3. Kryokanal

Speicher-Windkanäle (Intermittierender Betrieb)

1. Druckspeicher-Windkanal: Testgas strömt aus einem Druckkessel zur Windkanal-Messstrecke. Druck- und Temperaturregelung des Testgases erforderlich.
2. Vakuum-Speicherwindkanal: Testgas wird aus der Atmosphäre in den Vakuum-Speicher gesaugt. Keine Druck- und Temperaturregelung erforderlich.

Mit instationären Druckwellen betriebene Windkanäle

Grundprinzip: Ein Hochdruck-Speicherrohr wird durch eine Berstmembran vom Niederdruckrohr getrennt. Mit dem Bersten der Membran entstehen instationäre Druckwellen. In das Niederdruckrohr läuft eine instationäre Stoßwelle mit einer gleichsinnigen Nachlaufströmung. Gleichzeitig läuft in das Hochdruckrohr eine instationäre Expansionswelle, die eine Strömung entgegengesetzt der Wellenlaufrichtung induziert. Die so induzierten Strömungen werden in Versuchsanlagen verschiedenen Typs genutzt.

1. Stoßwellenrohr: Nutzt Nachlaufströmung der instationären Stoßwelle. Messzeiten im Millisekundenbereich. Varianten: Stoßwellenkanal: Nachbeschleunigung des Testgases mit einer Überschalldüse.
2. Rohrwindkanal oder Ludwieg-tube: Das Testgas wird durch eine instationäre Expansionswelle vorbeschleunigt und durch eine Windkanaldüse nachbeschleunigt. Die Expansionswelle durchläuft das in großer Länge ausführbare Speicherrohr in beiden Richtungen, so dass Messzeiten im Sekundenbereich realisierbar sind.

Historisches

Historischer Windkanal im Technikmuseum Hugo Junkers Dessau

Halle in Henrich Fockes Windkanal (Focke-Windkanal) im Jahre 2005

Von Gustave Eiffel wurden in den Jahren 1905 und 1906 am Eiffelturm Untersuchungen zum Strömungswiderstand von rechteckigen und ovalen Platten gemacht, indem diese von der zweiten Plattform des Turmes aus an einem Drahtseil geführt senkrecht nach unten fallen gelassen wurden. Hierbei wurde die auf die Platte wirkende Kraft auf einem mit berußtem Papier umwickelten Metallzylinder aufgezeichnet. Später baute Gustave Eiffel auf dem Champ de Mars ein Laboratorium mit einem Windkanal auf, der aus einer geschlossenen Messkabine bestand, aus der auf der einen Seite mit Hilfe eines elektrischen Gebläses die Luft abgesaugt wurde (die „70 PS“ Strom hierzu lieferte übrigens die Kraftzentrale des Eiffelturms). Auf der gegenüberliegenden Seite des Raumes strömte Luft aus einem großen Lagerraum durch eine Düse in das Innere der Messstrecke nach. In dem so erzeugten Luftstrahl wurden von Eiffels Mitarbeitern später auch systematische Untersuchungen zum Verhalten der ersten Tragflügelformen für Flugzeuge angestellt. Diese Art eines offenen Kanals, der durch Außenluft gespeist wird, trägt daher auch den Namen „Eiffel-Kanal“.

Ein Eiffel-Kanal hat den Nachteil, dass sich Temperatur- und Druckschwankungen sowie Geschwindigkeitsunterschiede aus der Umgebung, aus der die Luft angesaugt wird, in die Messstrecke fortsetzen, so dass sich die Strömung nur innerhalb gewisser Grenzen laminar halten und einstellen lässt. Unter anderem aus diesem Grunde wurde von Ludwig Prandtl eine andere Form des Windkanals entwickelt und erstmals 1908 in der von ihm gegründeten „Modellversuchsanstalt“ in Göttingen umgesetzt. Bei einem Windkanal nach Göttinger Typ wird hinter der Messstrecke die Luft in einem Auffangtrichter von einem Gebläse abgesaugt, von wo aus sie über einen Kanal wieder der Düse vor der Messstrecke zuströmt. Auf diese Weise können die physikalischen Eigenschaften der Luft im Kanal gut kontrolliert werden. Man kann z. B. den ganzen Kanal und die Messstrecke unter erhöhten Druck bringen oder herabkühlen. Es gibt Kanäle, in denen mit Drücken bis 120 bar oder Temperaturen bis -200° Celsius gearbeitet wird. Ein Kanal Göttinger Bauart hat in der Regel außerdem einen höheren Wirkungsgrad, da die Bewegungsenergie der aus der Messstrecke ausströmenden Luft wieder benutzt wird. Daher haben die meisten Windkanäle mit hoher Leistung/Strahlgeschwindigkeit einen geschlossenen Kreislauf.

Diese Bauweise wurde inspiriert von einem Experimentierkanal, mit dem Prandtl in Hannover Untersuchungen mit strömendem Wasser unternahm. Anstelle des Gebläses wurde bei diesem etwa 2 m langen und 20 cm breiten Kanal ein Wasserrad mittels einer Handkurbel in Drehung versetzt, woraufhin das Wasser in der Messstrecke abgesaugt wurde und durch einen Umströmkanal, der sich unter dieser befand, wieder auf die andere Seite der Messstrecke strömte. Von oben konnten in den offenen Kanal Hindernisse eingesetzt und ihre Umströmung beobachtet werden.

Siehe auch

• Aeroakustik-Windkanal
• Europäischer transsonischer Windkanal
• Henrich Fockes Windkanal in Bremen
• Trudelturm
• Überschall-Windkanal
• Hyperschall-Windkanal
• Hybrid-Windkanal
• Strömungsmesstechnik
• Wasserkanal
• Rail Tec Arsenal, Betreiber des Klima-Wind-Kanals in Wien

Weblinks

 Commons: Windkanäle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Institut für Aerodynamik und Gasdynamik an der Universität Stuttgart - Versuchsanlagen
• Institut für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin – Strömungskanäle
• NASA Kids Science News Video – Wind Tunnels (englisch)
• The German-Dutch Wind Tunnels (englisch)
• FKFS – Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
• Theodore von Kármán Windkanallabor, Technische Universität Budapest (BME), Ungarn
• Über das Internet fernbedienbarer Windkanal zur Bestimmung des c_W-Wertes von Modellautos (mehrsprachig)
• Wind Tunnel Experiments for Grades 8 - 12 (englisch)
• Klima-Wind-Kanal in Wien