Was ist ein Windkanal?
Ein Windkanal ist eine Versuchseinrichtung zur Messung und Analyse der Kräfte, die auf ein feststehendes Gebäude-, Flugzeug- oder Automodell einwirken, und der Windströmung, die dieses Modell umströmt.
Die Windströmung kann die Flugbedingungen für Flugzeuge und die Fahrbedingungen für Autos simulieren. Durch die Anpassung der Reynolds-Zahl lassen sich nahezu dieselben Versuchsergebnisse wie im realen Flug- oder Fahrbetrieb erzielen, auch wenn das Modell kleiner ist als das tatsächliche Flugzeug.
Windkanäle gibt es in allen Größen, und die Testanlage der JAXA, ein Niedriggeschwindigkeits-Windkanal, hat eine Messstrecke von 5 bis 6 Metern Länge und Breite, in der das Modell befestigt ist. Dies ist die größte Größe im Luft- und Raumfahrtsektor in Japan. In den USA gibt es einen riesigen Windkanal mit einer Länge von etwa 24 Metern und einer Breite von 37 Metern.
Verwendungszwecke von Windkanälen
Windkanäle werden in einem sehr breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, u. a. zur Nutzung von Messdaten für Flugzeuge und Raketen, bei denen die Strömungslehre eine wichtige Rolle spielt, sowie bei der Konstruktion von Automobilen, Eisenbahnen, Hochhäusern und Brücken, wo die Berücksichtigung von Windeffekten wichtig ist. Zusätzlich zu den grundlegenden Messungen der auf das Modell wirkenden Kräfte wie Auftrieb und Widerstand sowie des Drucks auf der Modelloberfläche werden bei Windkanalexperimenten auch PIV (Particle Image Velocimetry) zur Visualisierung der Luftströmung eingesetzt.
Ein Windkanal besteht aus einem Gebläse, einem Düsenteil, einer Gleichrichterplatte, einer Messstrecke und einem Diffusorteil. Da es sich im Wesentlichen um eine Vorrichtung handelt, mit der künstlicher Wind auf ein Modell geblasen wird, ist für die Messung von Strömungskräften und -drücken eine separate Messeinrichtung erforderlich, wie dies beispielsweise bei der Strömungsvisualisierung mit PIV der Fall ist.
Prinzip des Windkanals
Das Prinzip des Windkanals besteht darin, die reale Wind-(Fluid-)Strömung durch Messung der tatsächlichen Windströmung vorherzusagen, indem ein großes zu untersuchendes Objekt in ein kleines, ähnlich geformtes Modell umgewandelt wird, das dem tatsächlichen Wind ausgesetzt wird und dessen Bedingungen an die Reynolds-Zahl angepasst werden. Ein Windkanal ist eine experimentelle Einrichtung, die das Reynolds’sche Gesetz anwendet, um die Strömungseffekte des tatsächlichen Umgebungswindes zu messen und zu analysieren.
Durch die Anpassung der Reynolds-Zahl Re ist die Strömung der Umgebungsflüssigkeit gleich, wenn die Geometrie der tatsächlichen Maschine und des Modells ähnlich sind, was in der Strömungsmechanik als Reynolds’sches Gesetz bekannt ist. Die Reynolds-Zahl Re kann mit folgender Gleichung berechnet werden
Trägheitskraft des gesamten Fluids (Geschwindigkeit x Länge) ÷ physikalische Größe, berechnet durch die kinematische Viskosität (dimensionslose Größe)
Wird beispielsweise ein präzises Modell eines fahrenden Autos in der Größe eines Zehntels des tatsächlichen Autos angefertigt, so kann das Reynoldssche Ähnlichkeitsgesetz erfüllt werden, wenn die Windgeschwindigkeit im Windkanal auf das Zehnfache der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit eingestellt wird. Da die kinematische Viskosität jedoch von der Temperatur abhängt, ist es wichtig, die Temperatur so einzustellen, dass sie der kinematischen Viskosität bei der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit im Windkanal entspricht.
Arten von Windkanälen
Es gibt zwei Haupttypen von Windkanälen.
1. Einfacher Ausblasetyp
Der einfache Ausblasetyp, der auch als Eiffel-Windkanal bekannt ist, hat Vorteile wie eine einfache Konfiguration und einen geringen Platzbedarf, aber auch Nachteile wie einen hohen Energiebedarf für die Windversorgung.
2. Umwälzungstyp
Der Zirkulationstyp erfordert weniger Energie zur Erzeugung der Luftgeschwindigkeit und die Strömung ist stabiler, hat aber den Nachteil, dass die Temperatur des Luftstroms erheblich ansteigt. Außerdem ist die Anlage selbst in der Regel sehr groß. Der Göttinger Windkanal ist ein bekanntes Beispiel.
Weitere Informationen über Windkanäle
Einsatz von CFD
Die CFD-Technologie (Computational Fluid Dynamics), bei der Simulationen zur Vorhersage der Ergebnisse von Windkanaltests eingesetzt werden, hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Obwohl es sich bei Windkanälen um verkleinerte Modelle im Vergleich zu realen Prüfständen und Gebäuden handelt, sind sie immer noch mit einem hohen Aufwand an Prototypen und Arbeitsstunden verbunden.
Die CFD-Methode hingegen ist mit Kosten für die Installation von PCs und Software verbunden, aber die späteren Betriebskosten können im Vergleich zu Windkanälen gesenkt werden. Um jedoch ein Niveau zu erreichen, bei dem CFD-Daten allein für die Konstruktion ohne Windkanaltests verwendet werden können, ist es unerlässlich, Daten zu sammeln und detaillierte Parameter zu bestimmen. In gewisser Weise verbessert die komplementäre Beziehung zwischen CFD und der Überprüfung von Windkanaldaten die Entwurfsgenauigkeit und senkt die täglichen Kosten für Arbeitsstunden.
Notstromaggregate sind Geräte zur Notstromerzeugung, die für den Katastrophenschutz und für Sicherheitszwecke installiert werden, um plötzliche Stromausfälle aufgrund von Katastrophen zu verhindern.
Sicherheitsventile werden am Auslass von Behältern mit hohem Druck oder von Verdrängungskompressoren wie z. B. Kolbenkompressoren angebracht. Das Sicherheitsventil öffnet automatisch ein internes Ventil, um den Prozessdruck zu entlasten, wenn im Prozess ein ungewöhnlich hoher Druck auftritt, der den Auslegungsdruck des Tanks übersteigen könnte, oder bevor der Kompressor ausfällt.
“Pumpen werden eingesetzt, um Flüssigkeiten und Gase anzusaugen und an den gewünschten Ort zu befördern. Da sie in der Lage sind, Flüssigkeiten zwangsweise zu fördern, werden sie eingesetzt, wenn es keine Höhenunterschiede gibt, wenn von einem niedrigen zu einem hohen Niveau gepumpt werden soll oder wenn eine hohe Fördergeschwindigkeit erforderlich ist.
Elektrolytkondensatoren sind Kondensatoren, die eine Oxidschicht aus Aluminium oder Tantal als Dielektrikum verwenden.