Windkanal

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

Windkanal der NASA mit dem Modell eines Flugzeuges

Am bekanntesten sind wohl die Windkanaluntersuchungen von Flugzeugen und Autos. Während bei Autos hauptsächlich ein niedriger Luftwiderstand erzielt werden soll, spielen bei Flugzeugen wesentlich mehr Aspekte eine Rolle: Luftwiderstand, Auftrieb, Tragflächenprofil, Stabilität, Steuerung usw.
Daneben werden inzwischen auch Eisenbahnzüge und Schiffe im Windkanal untersucht. Ganz wichtig ist mittlerweile auch die Untersuchung von hohen Bauwerken wie Schornsteinen oder Wolkenkratzern. Hier muss darauf geachtet werden, dass die Bauwerke bei Stürmen dem Winddruck standhalten und nicht in Schwingung geraten. Um die Windströmung richtig simulieren zu können, muss dafür manchmal die gesamte nähere Umgebung nachgebaut 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 große Windkanäle erlauben. Für Flugzeuge oder Gebäude müssen daher 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.

Windkanäle bestehen aus einem oder mehreren großen Gebläsen, die die Luftströmung erzeugen, Gleichrichterelementen und einer Düse, die für eine möglichst gleichmäßige, unverwirbelte Strömung sorgen sollen, 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, der gleichzeitig ein Maß für die Güte desselben darstellt. 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 eine Wand geführt wird und geschlitzte Messstrecken, bei denen diese Wand mit Schlitzen durchbrochen ist.

Geschlossener Umlaufwindkanal englischer Bauart für den subsonischen Geschwindigkeitsbereich.

Auch Windkanäle selbst können offen oder geschlossen sein. Bei der offenen Bauweise wird die Luft aus der Umgebung angesaugt, fließt durch die Messkammer und entweicht am anderen Ende wieder ins Freie. Geschlossene Windkanäle haben einen ringförmigen Luftkanal. Tiefe Temperaturen und hoher Druck können nur in geschlossenen Windkanälen erzeugt werden.
Windkanäle für Unterschallgeschwindigkeiten können mehrere Meter Durchmesser haben, dagegen schrumpft die Größe von Windkanälen für den hohen Überschallbereich auf wenige Zentimeter zusammen.
Windkanalexperimente sind jedoch stets mit hohen Kosten verbunden. Daher versucht man heute zunehmend die Versuche durch numerische Simulationen (CFD) zu ersetzten. Aufgrund der hohen Komplexität des Strömungsfeldes wird in der Regel jedoch nur eine qualitative Übereinstimmung der Ergebnisse erreicht. Die Phänomene werden bereits heute recht gut abgebildet, hier z.B. eine numerische Strömungsvisualisierung einer Flugzeugumströmung. Langfristiges Ziel ist es, den Windkanal durch einen virtuellen, numerisch simulierten Windkanal zu ersetzen.

Historisches

Während Otto Lilienthal den Gegenwind für seine Untersuchungen zu verschiedenen Tragflächenprofilen noch erzeugte, indem er mit ihnen auf dem Fahrrad fuhr, bauten sich die Gebrüder Wright zu Beginn des 20. Jahrhunderts einen kleinen Windkanal. Der erste Windkanal war jedoch schon 1871 von den Engländern Wenham und Brown gebaut worden.

Ein schönes Beispiel ist der im original erhaltene historische Windkanal des Bremer Luftfahrtpioniers Henrich Focke. Diesen finde Sie unter www.Focke-Windkanal.de

Siehe auch

Weblinks