Überschall-Windkanal

Ingenieure überprüfen ein Flugzeugmodell vor einem Testlauf in einem Überschall-Windkanal (Lewis Flight Propulsion Laboratory).

Ein Überschall-Windkanal ist ein Windkanal in dem sich Objekte bei Strömungsgeschwindigkeiten von Mach-Zahlen zwischen 1,2 und 5 experimentell untersuchen lassen. Die Mach-Zahl und die Strömung werden durch die Düsen-Geometrie bestimmt, die Reynolds-Zahl wird durch Variation der Dichte (abhängig vom Druck vor der Düse) festgelegt. Ein hohes Druckverhältnis zwischen Ein- und Auslass ist zum Betrieb notwendig (für einen Betrieb bei Mach 4 ist ein Druckverhältnis von etwa 10 notwendig). Durch die Abkühlung des Gases bei der Beschleunigung durch die Düse kann Kondensation auftreten, welche Funktionsstörungen hervorruft. Daher sind Überschall-Windkanäle oftmals mit einer Lufttrocknungs- bzw. Vorheizeinrichtung ausgestattet. Wegen ihres sehr hohen Energiebedarfs (siehe unten) werden sie normalerweise nicht im Dauerbetrieb gefahren.

Beschränkende Faktoren für die Auslegung

Minimal notwendiges Druckverhältnis

Eine optimistische Schätzung ist, dass das Druckverhältnis im Windkanal kleiner als das Totaldruckverhältnis einer senkrechten Stoßwelle mit gleicher Mach-Zahl ist:

$\frac{P_t}{P_{amb}} \leq\left(\frac{P_{t_1}}{P_{t_2}}\right)_{M_1=M_m}$

Temperatur im Messabschnitt und Kondensation

Die Temperatur nach der Düse berechnet sich zu

$\frac{T_m}{T_t}=\left(1+\frac{\kappa-1}{2}M_m^2\right)^{-1}$

wobei κ der Isentropenexponent ist. Beispiel: T_t = 330K: T_m = 70K bei M_m = 4

Die sinnvoll erreichbare Mach-Zahl ist also durch die Temperatur im Druckgasreservoir vorgegeben.

Energiebedarf

Der Energiebedarf eines Überschall-Windkanals ist enorm, beispielsweise in der Größenordnung von 50 MW pro Quadratmeter Testfläche. Deshalb werden die meisten Kanäle mit Gas aus Hochdruckspeichern versorgt, was jedoch nur eine beschränkte Versuchsdauer erlaubt. Diese Bauart wird im Englischen als "intermittent supersonic blowdown wind tunnels" bezeichnet (siehe Abbildung). Eine weitere Möglichkeit, das Druckverhältnis zu erhöhen, ist die Verwendung von Vakuumtanks am Windkanalauslass; man spricht dann von "indraft supersonic wind tunnels". Folgende Faktoren können im Allgemeinen als kritisch angesehen werden:

• Ausreichende Zufuhr trockener Druckluft
• Interferenz der Strömung mit den Windkanalwänden
• Ausreichend schnelle Messinstrumente für die kurzen Experimentzeiten

Aufbau eines Überschall-Windkanals

Windkanäle wie das Ludwieg-Rohr haben kurze Experimentzeiten (normalerweise weniger als eine Sekunde), eine vergleichsweise hohe Reynolds-Zahl, jedoch einen niedrigen Energiebedarf, da nicht kontinuierlich gefahren wird.

Quellen

• Pope, A.; Goin, K.: High-speed Wind Tunnel Testing. Krieger 1978, ISBN 088275727X

Siehe auch

• Windkanal
• Hyperschall-Windkanal
• Ludwieg-Rohr
• Stoßrohr

Weblinks

• UTA supersonic wind tunnel test(Video)