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.

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.

*) Quellen Bilder = Quellen Text

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Windkanaltechnik  - Aufbau und Vergleich der verschiedenen Winkanalbauarten  

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.

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. *) Quellen Bilder = Quellen Text

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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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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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der Messstrecke vom Einfluss des natürlichen Windes freizuhalten. So ist es von einem großen Eiffelkanal der Automobilindustrie bekannt geworden, dass im Schnitt pro Woche ein Messtag wegen ungünstiger Windverhältnisse verloren geht. Netze vor dem Einlauftrichter, die man benötigt um zu verhindern, dass mit der Luft Gegenstände (z.B. Steine, Blätter, Vögel, etc.) angesaugt werden, reichen nur bei geeigneter Auslegung den Windeinfluss auszuschalten [7].

Der reine Eiffelkanal benötigt mehr Energie für die gleiche Strahlleistung, als ein Kanal mit geschlossener Rückführung. Weitere Nachteile sind: die schwankende Temperatur während der Messung und die Lärmbelästigung der Umwelt. Deshalb werden Eiffelkanäle heute nur noch selten gebaut, da auf Grund der Schallschutzauflagen ein sehr hoher Aufwand für die saug- und druckseitigen Schallschutzmaßnahmen betrieben werden muss.

Für den Eiffelkanal spricht seine einfache Konstruktion bzw. kostengünstige Bauweise. Bläst er ins Freie, so kann auf Abgasabsaugung bei Versuchen mit laufenden Fahrzeugmotoren verzichtet werden.

1.3 Mischbauarten

Neben den oben beschriebenen Varianten sind zwei Bauarten entwickelt worden, die zwischen diesen beiden einzuordnen sind. Sie wurden als Einzelplanungen für bestimmte Randbedingungen, wie beschränkter Bauraum oder Einbau in ein vorhandenes Gebäude ohne äußere Umbauten entworfen.

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1.3.1 Windkanal der NPL- oder englischen Bauart

Bild 3 NPL- oder englischer Bauart [5]

In Bild 3 ist die NPL- oder englische Bauart dargestellt. Hier handelt es sich um einen Eiffelkanal, der in einer Halle aufgebaut ist. Dabei wird die Luft innerhalb des Gebäudes, welches den ganzen Windkanal umschließt, vom Auslaßdiffusor zum Einlasstrichter zurückgeführt. Bei neueren Kanälen dieser Kategorie ist die umgehende Halle so konstruiert, dass sie eine möglichst verlustfreie Rückführung der Luft ermöglicht (s. Bild 4). [8],[9]

Bild 4 Windkanal der NPL- oder englischer Bauart mit verlustfreier Rückführung

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