Windkanal

Wịnd|ka|nal 〈m. 1u〉

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Luftstromes, zur Durchführung aerodynamischer Messungen, z. B. an Fahrzeugen

2. 〈an der Orgel〉 = Windlade

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Wịnd|ka|nal, der:

1. Vorrichtung, in der Modelle von Körpern, bes. von Fahrzeugen, einem Luftstrom ausgesetzt werden, um ihre aerodynamischen Eigenschaften zu bestimmen.

2. (bei der Orgel) Röhre aus Holz, durch die der ↑ Wind (2 a) vom Gebläse od. Blasebalg zum Windkasten geleitet wird.

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Windkanal,

 

Versuchsanlage zur Ermittlung von Strömungskräften auf Modelle von umströmten Körpern, z. B. Flugzeugen, Schiffen, Kraftfahrzeugen, Brücken und Gebäuden oder auch Teilen davon. Während sich das Original eines zu untersuchenden Objekts durch ruhendes Gas bewegt, wird im Windkanal das Gas (in der Regel Luft, seltener andere Gase) in Bewegung versetzt, wobei das Modell in der Messstrecke des Windkanals fixiert ist.

 

Windkanäle können kontinuierlich oder intermittierend betrieben werden. Bei kontinuierlichem Betrieb wird ein Gasstrom von einem Gebläse gefördert. Dabei kann der Luftstrom offen sein (aus der Atmosphäre angesaugt und wieder in diese ausgeblasen, Eiffel-Typ) oder in einem Kreislauf geführt werden (in Rohren, Göttinger- oder Prandtl-Typ). Beide Bauarten können mit offener oder geschlossener Messstrecke und für beliebig lange Messzeiten betrieben werden. Intermittierend arbeitende Kanäle erlauben nur begrenzte Messzeiten im Bereich von Sekunden oder Minuten. Bei diesen Windkanälen wird entweder gespeicherte Druckluft aus einem Behälter durch eine Messstrecke in die Atmosphäre ausgeblasen (Blow-down-Windkanal), oder es wird ein Vakuumbehälter durch eine Messstrecke hindurch aus der Atmosphäre aufgefüllt (Suck-down-Windkanal). Intermittierend arbeitende Windkanäle erfordern einen geringeren Bauaufwand und geringere Antriebsleistungen, weil die Druckspeicherung oder Evakuierung auf eine längere Zeitspanne verteilt werden kann. Die zur Erzeugung des Luftstroms erforderliche Antriebsleistung wächst bei sonst gleichen Bedingungen mit der dritten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit. U. anderen deswegen werden kontinuierlich arbeitende Windkanäle überwiegend im Unterschall- und Transschallbereich verwendet, während intermittierend arbeitende Windkanäle häufiger im hohen Überschall und Hyperschall eingesetzt werden. Eine Sonderbauform ist der Stoßwellenkanal, mit dem Geschwindigkeiten im Hyperschallbereich bei hohem Energiegehalt der Strömung (Hochenthalpie-Windkanal) erreicht werden. Dabei verlangen die extrem kurzen Messzeiten (Bruchteile von Sekunden, Kurzzeitwindkanal) eine spezielle Messtechnik.

 

Um Ergebnisse aus Modelluntersuchungen auf das Originalproblem übertragen zu können, müssen strömungsmechanische Ähnlichkeitsbedingungen erfüllt werden, insbesondere sollten Reynolds-Zahl und Mach-Zahl bei Modell und Original gleich groß sein (Ähnlichkeitstheorie). Bei stark verkleinerten Modellen ist die Forderung nach gleicher Reynolds-Zahl meist nur schwer erfüllbar. Durch Anhebung des Druckpegels im Windkanal (Überdruckwindkanal) oder durch Herabsetzung der Temperatur des Luftstroms (erzielt durch Verdampfung von eingespritztem flüssigem Stickstoff, Kryowindkanal) lässt sich die Reynolds-Zahl-Forderung jedoch auch für die zwangsläufig stark verkleinerten Modelle von Großflugzeugen erfüllen; allerdings ist v. a. bei Kryowindkanälen eine aufwendige Technologie (Ruhetemperatur des Gases 100-300 K) erforderlich. Eine weitere Erhöhung der Reynolds-Zahl kann durch den Einsatz von Halbmodellen erreicht werden.

 

Zur Bestimmung der in der Luftfahrzeugtechnik besonders interessierenden Kräfte (Auftrieb, Widerstand, Seitenkraft) und Momente (Nick-, Roll- und Giermoment) werden in der Regel mit elektrischen Dehnungsmessstreifen bestückte Sechskomponentenwaagen eingesetzt. Sie sind an starren Stielhalterungen befestigt und in das Modell integriert. Häufig werden auch Drücke und Geschwindigkeiten an der Modelloberfläche und im Strömungsfeld gemessen sowie Strömungsvorgänge sichtbar gemacht (Schlieren- und Interferometerverfahren, Ölfilmbilder). Dabei kommt den berührungslosen Messverfahren eine besondere Bedeutung zu, da sie die Strömung nicht durch Einbau von Sonden stören (Laser-Doppler-Anemometrie, druckempfindliche Farben, laserinduzierte Fluoreszenz, Particle-Image-Velocimetry). Bedingt durch die sich immer weiter verbessernden Möglichkeiten, komplexe Strömungsvorgänge mithilfe von leistungsfähigen Rechnern zu simulieren, ist es zunehmend das Ziel von Windkanalmessungen, experimentelle Vergleichsdaten zur Gültigkeitserklärung von Rechenverfahren zur Verfügung zu stellen. Spezialwindkanäle bieten Untersuchungsmöglichkeiten für besondere Aufgabenstellungen (Profilwindkanal, Triebwerkswindkanal, Trudelwindkanal, Vereisungswindkanal, Akustischer Windkanal, Lichtbogenwindkanal).

 

Als erster brauchbarer Windkanal gilt eine 1884 von dem Engländer Horatio Philipps (* 1845, ✝ 1912) entwickelte Anlage; die Brüder W. und O. Wright verwendeten bereits ab 1901 einen selbst erbauten Windkanal für Tragflügeluntersuchungen. Nur wenig später (1908/09) entstanden die Grundformen heutiger Windkanäle in aerodynamischen Versuchsanstalten in Göttingen und in Paris. Heute sind einige Hundert Windkanäle weltweit in Großforschungseinrichtungen, Industrieunternehmen und Hochschulinstituten in Betrieb. In Deutschland sind Windkanäle aller genannten Typen bei dem eng mit der Luftfahrtindustrie zusammenarbeitenden Deutschen Zentrum (bis 1997 Deutsche Forschungsanstalt) für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) sowie an den technischen Universitäten in Betrieb. In Zusammenarbeit mit den Niederlanden wurde der Deutsch-Niederländische Windkanal (DNW), der größte Europas, im Nordostpolder in Betrieb genommen. Für Kfz-Untersuchungen unterhalten die meisten Automobilhersteller eigene Windkanäle. Der European Transonic Windtunnel (ETW, deutsch Europäischer Transschall-Windkanal) in Köln-Porz, mit Strömungsgeschwindigkeiten bis zur Mach-Zahl 1,3, ging 1993 in Betrieb. Er ist ein Gemeinschaftsprojekt von Frankreich, Großbritannien, den Niederlanden und Deutschland.

 

Literatur:

 

W.-Versuche, bearb. v. R. Wohlfahrt, 2 Bde. (1991);

 E. Truckenbrodt: Fluidmechanik, 2 Bde. (^3-41992-96);

 L. Prandtl u. a.: Führer durch die Strömungslehre (Neuausg. 1993);

 J. Zierep: Grundzüge der Strömungslehre (⁶1997).

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Wịnd|ka|nal, der: 1. Vorrichtung, in der Modelle von Körpern, bes. von Fahrzeugen, einem Luftstrom ausgesetzt werden, um ihre aerodynamischen Eigenschaften zu bestimmen: Es bestimmte allein der W. die Linie der Karosserie (rallye racing 10, 1979, 100). 2. (bei der Orgel) Röhre aus Holz, durch die der ↑Wind (2 a) vom Gebläse od. Blasebalg zum Windkasten geleitet wird.