Es steht nicht einwandfrei fest, wer den ersten Windkanal gebaut hat; wahrscheinlich weil schon lange vor dem Bau des ersten Windkanals aerodynamische Versuche durchgeführt wurden. Und vermutlich entstand aus primitivsten Einrichtungen das, was wir heute als Windkanal bezeichnen. Es müssen nur ein Axialventilator sowie eine geeignete Messstrecke vorhanden sein.
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 errichtet, 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 nach eigener Konstruktion hergestellt, um ebenfalls Flügeluntersuchungen durchzuführen.
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 sehr aufwendige Zusatzeinrichtungen nötig, die oft zu anderen Verfälschungen führen. In dieser Ausarbeitung werden nicht nur die verschiedenen Winkanalbauarten verglichen sondern die jeweilig benötigten Zusatzeinrichtungen erörtert.
Inhaltsverzeichnis
0. Vorwort
1. Windkanalbauarten
1.1 Göttinger Bauart
1.2 Eiffel-Bauart
1.3 Mischbauarten
1.3.1 Winkanal der NPL- oder englischer Bauart
1.3.2 Winkanal der SESSIA-Bauart
1.4 Sonderbauarten
1.4.1 Aeroakustischer Windkanal
1.4.2 Thermowindkanal
2. Automobilwindkanal
2.1 Die Aufgabengebiete der Fahrzeugaerodynamik
2.2 Forderung zur optimalen Messung
3. Messstrecke
3.1 Offene Messstrecke
3.2 Geschlossene Messstrecke
3.3 Streamlined Walls
3.4 Slotted Walls
4. Aerodynamische Waage
5. Bodengrenzschicht
6. Vergleich von verschiedenen Windkanalbauarten
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Arbeit analysiert den Aufbau und die funktionalen Unterschiede verschiedener Windkanalbauarten sowie deren spezifische Anwendungsmöglichkeiten und Herausforderungen in der Fahrzeug-Aerodynamik. Das Ziel ist es, ein Verständnis für die komplexen Anforderungen an die Simulation von Straßenfahrten in Windkanälen zu vermitteln.
- Vergleich klassischer und moderner Windkanalprinzipien (Göttinger vs. Eiffel-Bauart).
- Analyse spezieller Messstreckenkonfigurationen und deren Einfluss auf die Strömungsqualität.
- Untersuchung der Anforderungen an die Messtechnik und aerodynamische Waagen.
- Diskussion von Problematiken bei der Fahrbahnsimulation, insbesondere der Bodengrenzschicht.
Auszug aus dem Buch
1.1 Göttinger Bauart
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 Druckverlust des Kühlers seinerseits erfordert zusätzliche Antriebsleistung; ein Teil des Vorteils einer niedrigen Antriebsleistung geht damit wieder verloren [5].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Windkanalbauarten: Dieses Kapitel stellt die grundlegenden Konzepte wie Göttinger, Eiffel- sowie Mischbauarten vor und erläutert deren Unterschiede in Aufbau und Energiebedarf.
2. Automobilwindkanal: Hier wird der Prozess der Straßenfahrt-Simulation analysiert und die besonderen Anforderungen an die Strömungsqualität bei Kraftfahrzeugen im Vergleich zur Luftfahrt beschrieben.
3. Messstrecke: Das Kapitel vergleicht verschiedene Arten von Messstrecken, von offen über geschlossen bis hin zu geschlitzten Varianten, im Hinblick auf Versperrung und Messgenauigkeit.
4. Aerodynamische Waage: Hier wird die technische Umsetzung der Kraft- und Momentenmessung am Fahrzeug im Windkanal sowie die Problematik des Koordinatensystems thematisiert.
5. Bodengrenzschicht: Dieses Kapitel widmet sich der Herausforderung, den Bodenkontakt des Fahrzeugs naturgetreu nachzubilden und die Grenzschichteffekte zu minimieren.
6. Vergleich von verschiedenen Windkanalbauarten: Dieser Abschnitt bietet einen grafischen Größenvergleich gängiger Automobilwindkanäle internationaler Hersteller.
Schlüsselwörter
Windkanaltechnik, Fahrzeugaerodynamik, Windkanalbauarten, Göttinger Bauart, Eiffel-Bauart, Messstrecke, Strömungsqualität, Aerodynamische Waage, Bodengrenzschicht, Straßenfahrt-Simulation, Versperrungsverhältnis, Luftwiderstand, Kraftmessung, Strömungsfeld, Klimawindkanal.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die grundlegende Technik und den konstruktiven Aufbau von Windkanälen, speziell fokussiert auf Anwendungen in der Automobilaerodynamik.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die verschiedenen Windkanal-Bauprinzipien, die Gestaltung der Messstrecken, die Messtechnik für Kräfte am Fahrzeug und die Herausforderungen bei der Simulation realer Straßenbedingungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist der Vergleich der Vor- und Nachteile unterschiedlicher Bauarten und die Erörterung der technischen Maßnahmen, die für eine präzise aerodynamische Messung am Fahrzeug erforderlich sind.
Welche wissenschaftliche Methodik wird verwendet?
Es handelt sich um eine technologisch-analytische Ausarbeitung, die auf der Auswertung physikalischer Prinzipien, empirischer Korrekturmethoden und der Gegenüberstellung existierender Anlagen basiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung der Kanaltypen, die Analyse von Messstrecken-Varianten, die Funktionsweise von Waagen zur Kraftmessung und Methoden zur Kompensation der Bodengrenzschicht.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Windkanalbauarten, Fahrzeugaerodynamik, Messstrecke, Bodengrenzschicht und Kraftmessung.
Warum ist die Wahl der Windkanalbauart für die Automobilindustrie kritisch?
Die Wahl entscheidet über Energieeffizienz, Baukosten, Platzbedarf und vor allem die Qualität der Messergebnisse bei der Simulation verschiedener Umweltbedingungen.
Welche Problematik ergibt sich bei der Messung in einem geschlossenen Windkanal?
In geschlossenen Windkanälen führt die Blockade durch das Fahrzeugmodell zu einer unerwünschten Beeinflussung der Strömung, was eine rechnerische Versperrungskorrektur notwendig macht.
Wie beeinflusst die Bodengrenzschicht die Qualität der Simulation?
Die Bodengrenzschicht im Windkanal unterscheidet sich von der realen Straße; ihre korrekte Simulation ist entscheidend, um den Luftwiderstand und Auftrieb des Fahrzeugs korrekt messen zu können.
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- Dipl.-Ing., MBA Jens Magenheimer (Author), 2006, Windkanaltechnik. Aufbau und Vergleich der verschiedenen Windkanalbauarten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/113821
