Vindtunnel

En vindtunnel brukes til å undersøke og måle de aerodynamiske og aeroakustiske egenskapene til gjenstander.

NASA vindtunnel med en modell av en MD-11

De mest kjente er sannsynligvis vindtunnelundersøkelser av fly og biler . Undersøkelser i vindtunnelen brukes til å undersøke luftmotstand , dynamisk løft eller deformasjoner på grunn av aeroelasticitet .

Modeller av strukturer som høyhus , skorsteiner og broer undersøkes også i vindtunneler. Målet med dem er å vurdere om de tåler de forventede vindkreftene i sin opprinnelige størrelse under storm. For å kunne simulere vindstrømmen riktig, må hele nærmiljøet noen ganger modelleres. Bare noen få gjenstander kan meningsfullt undersøkes i vindtunnelen uten skalering. Biler er et unntak fordi de ikke er for store og de relativt lave lufthastighetene tillater tilstrekkelig store vindtunneler. Skalamodeller brukes for fly eller bygninger . Formen på strømmen rundt en kropp avhenger av Reynolds-tallet . For å oppnå realistiske resultater må undersøkelsen i vindtunnelen utføres med samme Reynolds-nummer som det tilsvarer strømmen rundt originalen. Dette kan oppnås gjennom en høyere tetthet av mediet eller gjennom en høyere hastighet.

konstruksjon

Fallskjerm i en vindtunneltest

Vindtunneler består av en eller flere blåser som genererer luftstrømmen, likeretterelementer som er ment for å sikre en mest mulig jevn, ikke-turbulent strømning mulig, en dyse for å akselerere luftstrømmen og den faktiske måleseksjonen der undersøkelsene utføres . Strømningen i måleseksjonen skal være så jevn, parallell og med lav turbulens og støy som mulig. Graden av turbulens i vindtunnelen gir en kvantitativ uttalelse om de turbulente svingningshastighetene . Som vist i grafikken kan måleseksjonen være åpen, dvs. Strømmen blåses med andre ord ut fra dysen til en målehall og samles opp på den andre siden av målehallen av en samler eller samler, med et skjærlag som bygger seg opp mellom den bevegelige og stående luften i målehallen. Imidlertid er det også lukkede måleseksjoner der strømmen også føres gjennom vegger i måleseksjonen, og slissede måleseksjoner der noen av disse veggene er forsynt med spalter.

Lukket sirkulerende vindtunnel i Göttingen-design for det subsoniske fartsområdet

Luftkanalen til vindtunneler kan også være åpen eller lukket. Med det åpne designet suges luften inn fra omgivelsene, flyter gjennom måleseksjonen og rømmer tilbake i det fri i den andre enden. Lukkede luftkanaler er ringformede. Her samles luftstrømmen opp av samleren etter at måleseksjonen blir matet tilbake til viften . Lave temperaturer og høyt trykk kan bare genereres i lukkede vindtunneler ( klimat vindtunnel ). Vindtunneler for subsoniske hastigheter kan være flere meter i diameter, mens størrelsen på vindtunneler for det høye lydnivåområdet krymper til noen få centimeter.

Vindtunneleksperimenter er alltid forbundet med høye kostnader, hovedsakelig på grunn av det høye investeringsutgiftene som er involvert i opprettelsen. Derfor blir det i dag i økende grad gjort forsøk på å erstatte eksperimentene med numerisk strømningssimulering (CFD, beregningsvæskedynamikk ). Fenomenene er allerede representert ganske bra i dag. I virkeligheten er imidlertid visjonen om å erstatte vindtunneleksperimenter med numerisk simulering fremdeles langt unna. Dette gjelder desto mer for aeroakustisk simulering (CAA, Computational Aeroacoustics ).

Vindtunneler kan klassifiseres i henhold til deres driftsmåte som følger:

Vifteopererte vindtunneler

16 fot NASA transonic vindtunnel
  1. Åpen kanal eller Eiffelkanal : trekker inn testgass fra atmosfæren og blåser den ut igjen.
  2. Lukket kanal eller Göttingen kanal : returnerer testgassen i en lukket krets. Tillater at driftstrykk og temperatur varieres
  3. Kryokanal

Lagring vindtunneler (periodisk drift)

  1. Tryktakkumulator vindtunnel: testgass strømmer fra en trykkbeholder til måleseksjonen for vindtunnelen. Trykk og temperaturkontroll av testgassen som kreves.
  2. Vakuum lagring vindtunnel: testgass suges fra atmosfæren inn i vakuum lagring. Ingen trykk- og temperaturkontroll er nødvendig.

Vindtunneler opererte med ustabile trykkbølger

Grunnleggende prinsipp: Et høytrykkslagringsrør skilles fra lavtrykksrøret med en sprengende membran. Når membranen sprekker, oppstår ustabile trykkbølger. En ustø sjokkbølge løper inn i lavtrykksrøret med en våkenstrøm i samme retning. Samtidig løper en ustabil ekspansjonsbølge inn i høytrykksrøret, som induserer en strøm i motsatt retning av bølgens kjøreretning. Strømmene indusert på denne måten brukes i forskjellige typer testanlegg.

  1. Støtrør eller støtrør : Bruker våkenstrøm av ustø sjokkbølge. Målingstider i millisekundområdet. Varianter: Støtbølgekanal: etterakselerasjon av testgassen med en supersonisk dyse.
  2. Rør vindtunnel eller Ludwieg rør : prøvegassen pre-akselerert ved en ujevn ekspansjon bølge og etter akselerert av en vindtunnel dyse. Ekspansjonsbølgen går gjennom lagringsrøret, som kan utformes i stor lengde, i begge retninger, slik at måletider i sekunder kan oppnås.

Historisk

Historisk vindtunnel i Hugo Junkers Technical Museum i Dessau
Henrich Fockes vindtunnel , 2005

Eiffelkanalen

I 1905 og 1906 utførte Gustave Eiffel undersøkelser av strømningsmotstanden til rektangulære og ovale plater på Eiffeltårnet ved å la dem falle loddrett nedover på et ståltau ført fra den andre plattformen i tårnet. Kraften som virker på platen ble registrert på en metallsylinder innpakket med sotpapir. I 1909 bygde Gustave Eiffel et laboratorium med en vindtunnel på Champ de Mars , som ble flyttet til Auteuil i 1912 . Den Laboratoire Aerodynamique Eiffel kan fortsatt besøkes der i dag. Vindtunnelen besto av en lukket målehytte, hvorfra luften ble sugd ut på den ene siden ved hjelp av en elektrisk vifte ("70 HP" -strømmen til dette ble levert av kraftsenteret i Eiffeltårnet). På motsatt side av rommet strømmet luft fra et stort lager gjennom en dyse inn i innsiden av måleseksjonen. I luftstrålen som ble generert på denne måten, utførte Eiffels-ansatte senere også systematiske undersøkelser av oppførselen til de første vingeformene for fly. Denne typen åpen kanal, som mates med uteluft, kalles derfor også "Eiffelkanalen". En Eiffel-kanal har den ulempen at temperatur- og trykkfluktuasjoner samt hastighetsforskjeller fra omgivelsene som luften suges inn fra fortsetter inn i måleseksjonen, slik at strømmen bare kan holdes og justeres laminær innenfor visse grenser.

Göttingen kanal

Ludwig Prandtl 1904, en vannkanal , den såkalte Prandtl-kanalen for visualisering av væskestrømmer, vindtunnelen inspirert av Göttinger-typen

Av denne grunn utviklet Ludwig Prandtl blant annet en annen form for vindtunnel og implementerte den for første gang i 1908 i modellforskningsinstituttet for aerodynamikk han grunnla i Göttingen . I en vindtunnel av typen Göttingen suges luften bak måleseksjonen av en vifte i en oppsamlingstrakt, hvorfra den strømmer tilbake til dysen foran måleseksjonen via en kanal. På denne måten kan de fysiske egenskapene til luften i kanalen kontrolleres godt. Du kan z. B. bringe hele kanalen og måleseksjonen under økt trykk eller kjølig. Det er kanaler der trykk opp til 120 bar eller temperaturer ned til −200 ° C brukes. Som regel har en kanal i Göttingen-stil også en høyere grad av effektivitet , siden den kinetiske energien til luften som strømmer ut av måleseksjonen blir gjenbrukt. Derfor har de fleste vindtunneler med høy effekt / strålehastighet en lukket krets.

Denne konstruksjonsmetoden ble inspirert av en eksperimentell kanal som Prandtl utførte undersøkelser med rennende vann i Hannover. I stedet for viften ble et vannhjul satt i rotasjon ved hjelp av en håndsveiv i denne ca 2 m lange og 20 cm brede kanalen, hvorpå vannet i måleseksjonen ble sugd av og gjennom en strømningskanal under den tilbake til den andre siden av måleseksjonen strømmet. Hindringer kan settes inn i den åpne kanalen ovenfra og strømmen rundt dem kan observeres.

Se også

litteratur

  • Theo Hottner: Et århundre med vindtunnelteknologi. Balanse og perspektiv . GRIN Verlag, München 2019, ISBN 978-3-346-00574-8 .
  • Bill Addis: Den historiske bruken av fysisk modelltesting i vindteknikk , i: Deres historiske og nåværende bruk i sivil- og bygningsingeniørdesign , red. Av Bill Addis. Construction History Series utg. Av Werner Lorenz . Berlin: Ernst & Son . Berlin: Ernst & Sohn 2021, s. 711–751, ISBN 978-3-433-03257-2 .
  • Francesco Dorigatti: Testing av grenselagets vindtunnelmodell - nåværende praksis , i: Deres historiske og nåværende bruk i sivil- og bygningsingeniørdesign , red. Av Bill Addis. Construction History Series utg. Av Karl-Eugen Kurrer og Werner Lorenz. Berlin: Ernst & Sohn 2021, s. 889–939, ISBN 978-3-433-03257-2 .

weblenker

Commons : Wind Tunnels  - Samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Wind tunnel  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Notater og bevis

  1. ↑ Laboratoire aérodynamique Eiffel , 67 Rue Boileau, XVI. Arrondissement, Paris
  2. ↑ Aérodynamique Eiffel et sa soufflerie
  3. ↑ DNW - tyske nederlandske vindtunneler