DE10049533A1 - Windkanal - Google Patents

Abstract

Windkanal, insbesondere für aero-akustische Messungen, mit einer Freistrahl-Meßstrecke und einer Strömungsrückführungsröhre, bei dem vor der Freistrahl-Meßstrecke eine Ausblasdüse und hinter der Freistrahl-Meßstrecke ein Diffusor vorgesehen ist, mit einer in der Strömungsrückführungsröhre angeordneten Ventilatoreinheit zur Erzeugung eines Luftstroms, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand der Strömungsrückführungsröhre Öffnungen ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Windkanal, insbesondere für aero­ akustische Messungen, entsprechend dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Bei Windkanälen der sogenannten Göttinger Bauart mit geschlos­ sener Strömungsrückführung und Freistrahl-Meßstrecke bzw. of­ fener Meßstrecke treten bei bestimmten Strömungsgeschwindig­ keiten tieffrequente Pulsationen auf. Diese Pulsationen führen zu periodischen Fluktuationen der Strömungsgeschwindigkeit und des Drucks im Ringkanal und führen zur Verfälschung von Meßer­ gebnissen, wie dies im einzelnen beschrieben ist in "Wind Tun­ nel Pulsations and their Active Suppression", SAE-Paper Nr. 2000-01-0869, 2000.

In "Model and Full Scale Investigations of the Low Frequency Vibration Phenomena of the DNW Open Jet", AGARD-CP-585, 1997, wird auf diese Pulsationen Bezug genommen und festgestellt, daß in Extremfällen die Pulsationen sogar das Windkanalgebäude zu Schwingungen anregen, welche die Stabilität des Bauwerks gefährden.

In den vorgenannten Schriften ist der Erzeugungsmechanismus der Pulsationen detailliert beschrieben. Die Pulsationen wer­ den demzufolge durch Strömungsinstabilitäten ausgelöst, die sich in Form von Ringwirbeln an der Ausblasdüse ablösen und mit der Strömung konvektiert werden. Die Wirbel haben ein breitbandiges Frequenzspektrum mit einem Maximum bei der Fre­ quenz f₁. Die bevorzugte Wirbelablösefrequenz f₁ ist proportio­ nal zur Strömungsgeschwindigkeit U und umgekehrt proportional zum hydraulischen Durchmesser D der Ausblasdüse.

Durch Rückkopplungsmechanismen, deren Eigenfrequenz in der Nä­ he der bevorzugten natürlichen Wirbelablösefrequenz f₁ liegt, wird die Wirbelablösung verstärkt und es treten die beschrie­ benen Pulsationen auf. Die Frequenz der Pulsation liegt bei typischen Pkw-Windkanälen bei 2-10 Hertz.

Wie in den vorgenannten Schriften erläutert, treten bei Wind­ kanälen Göttinger Bauart verschiedene Rückkopplungsmechanismen auf:

• a) Kopplung zwischen Ausblasdüse und Kollektor. Durch den Wirbelaufprall am Kollektor werden akustische Wellen erzeugt, die sich entgegen der Strömungsrichtung vom Kollektor zur Ausblasdüse ausbreiten und an der Ausblasdüse die Ablösung von Wirbeln steuern. Die Wirbel werden in der Strömungsscherschicht zum Kollektor transportiert und erzeu­ gen dort wiederum Schallwellen, so daß der Rückkopplungs­ kreis geschlossen ist. Die Rückkopplungsfrequenz ist von der Zeitdauer abhängig, welche die Schallwelle für den Weg vom Kollektor zur Ausblasdüse benötigt.
• b) Akustische Resonanzen des Luftvolumens im Strömungskanal. Für die Windkanäle Göttinger Bauart spielen nur die Röhren­ resonanzen des Luftrückführungskanals eine nennenswerte Rol­ le. Die Rückführungsröhre, nachfolgend als Strömungsrückfüh­ rungsröhre bezeichnet, wirkt als Orgelpfeife, so daß sich eine stehende Welle entlang der Rückführungsröhre ausbildet. Ausblasdüse und Kollektor wirken dabei als offene Enden, an denen der Schalldruck ein Minimum und die Teilchenschnelle ein Maximum aufweist. Dadurch wird der Strömung an der Aus­ blasdüse eine Wechselgeschwindigkeit aufgeprägt, die eine Wirbelablösung im Takt der Röhrenresonanzfrequenz auslöst. Röhrenresonanzen des Luftrückführungskanals entstehen bei denjenigen Frequenzen, bei welchen entlang der Rückführungs­ röhre näherungsweise ganzzahlige Vielfache der halben Wel­ lenlänge Platz finden.

Die DE 42 24 488 A1 betrifft einen Windkanal mit Freistrahl- Meßstrecke und Strömungsrückführungsröhre. Bei dieser Rückfüh­ rungsröhre werden durch entsprechende Gestaltung des Kollek­ tors die beim Aufprall der Wirbel entstehenden akustischen Wellen vermindert. Hierdurch kann in der Regel die Kopplung zwischen Düse und Kollektor vollständig unterdrückt werden, während die durch Röhrenresonanzen bedingten Pulsationen je­ doch nicht in ausreichendem Maße vermindert werden können.

Die DE 197 02 390 beschreibt einen Windkanal, bei dem zur ak­ tiven Bedämpfung der Röhrenresonanzen die Einleitung gegenpha­ siger Luftschwingungen durch Lautsprecher erfolgt. Diese Maß­ nahme erfordert einen hohen technischen und finanziellen Auf­ wand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Windkanal, insbesondere für aero-akustische Messungen, mit geschlossener Luftführung und Freistrahl-Meßstrecke zu schaffen, bei dem die Bedämpfung der durch stehende Wellen in der Strömungsrückfüh­ rungsröhre erzeugten Windkanalpulsationen ohne hohen techni­ schen Aufwand erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Die Erfindung schafft einen Windkanal, bei dem ohne zusätzli­ che Störgeräusche und ausschließlich durch an geeigneter Stel­ le vorgesehene Öffnungen die durch stehende Wellen in der Strömungsrückführungsröhre erzeugten Windkanalpulsationen be­ dämpft werden. Die Öffnungen sind in der Wand der Strömungs­ rückführungsröhre vorgesehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen zur Er­ läuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Wiedergabe des erfindungsgemäßen Windkanals,

Fig. 2 eine schematische Wiedergabe einer stehenden Welle in der Strömungsrückführungsröhre,

Fig. 3a bis Fig. 3f Darstellungen zur Erläuterung der unterschiedlichen Ausführungsformen von in der Strömungsrückführungs­ röhre auszubildenden Öffnungen,

Fig. 4 in einem Windkanal gemessene Schalldruckpegelspektren zur Verdeutlichung der durch eine Öffnung erzielten Bedämpfung der Pulsationen,

Fig. 5 Ergebnisse einer Computersumulation zur Verdeutli­ chung der durch mehrere Öffnungen erzielbaren Dämp­ fung der Pulsationen, und

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Anordnung von Lochreihen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Windkanal, insbesondere für aero-akustische Messungen mit geschlossener Luftführung und mit einer Freistrahl-Meßstrecke 1, die zwischen einer mit 2 bezeichneten Stromrückführungsröhre angeordnet ist. An die Freistrahl-Meßstrecke 1 schließt sich ein Kollektor 3 an, der die Form eines Trichters hat und eingangsseitig eines Diffu­ sors 4 vorgesehen ist. Hinter dem Diffusor 4 folgt eine Umlenkecke 5, dann ein weiterer Abschnitt 6 der Strömungsrück­ führungsröhre, eine weitere Umlenkecke 7 und eine in dem nächsten Abschnitt 8 der Strömungsrückführungsröhre unterge­ brachte Ventilatoreinheit 9 als Gebläseeinheit. Schließlich folgt ein Abschnitt 11 der Strömungsrückführungsröhre 2, eine Umlenkecke 12, ein weiterer Abschnitt 13 der Strömungsrückfüh­ rungsröhre 2 und schließlich eine Umlenkecke 14, an welche sich ein weiterer Abschnitt 15 der Rückführungsröhre 2 an­ schließt. Der Abschnitt 15 enthält einen Gleichrichter 16 und ein Gitter bzw. Turbulenznetz 17. Ausgangsseitig des Ab­ schnitts 15 befindet sich eine Auslaßdüse 18, welche die er­ zeugte Luftströmung auf die Meßstrecke 1 richtet.

Der vorstehend beschriebene Aufbau entspricht im wesentlichen dem eines z. B. aus der DE 197 02 390 bekannten Windkanals, je­ doch mit der Maßgabe, daß die in der DE 197 02 390 vorgesehenen Lautsprechereinheiten und Mikrophone erfindungsgemäß ent­ fallen.

Bei dem beschriebenen Windkanal können die Umlenkecken 5, 7, 12 und/oder 14 Kulissenschalldämpfer enthalten. Hinter dem Ventilator 9 kann ein Schalldämpfer 19 angeordnet sein.

Erfindungsgemäß sind in der Strömungsrückführungsröhre zur Be­ dämpfung der durch stehende Wellen erzeugten Windkanalpulsati­ onen Öffnungen 20, 21, 22, 24, 25, 26 vorgesehen. Diese Öff­ nungen sind in der nicht weiter bezeichneten Wand der Strö­ mungsrückführungsröhre 2 an geeigneter Stelle angeordnet und können verschiedene Ausgestaltungen aufweisen. Gemäß Fig. 1 sind die Öffnungen 20, 21, 22, 24, 25, 26 vor der Ausblasdüse 18 bzw. im Diffusor 4 ausgebildet und liegen entlang einer Achse.

Zusätzlich oder bei einer abgewandelten Ausgestaltung ist zu­ mindest eine größere Öffnung 28 z. B. im Abschnitt 11 oder an anderer Stelle der Strömungsrückführungsröhre 2 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Wiedergabe einer stehenden Wel­ le entlang der Strömungsrückführungsröhre, bei der gerade sechs halbe Wellenlängen entlang der Achse der Strömungsrück­ führungsröhre Platz finden. Die Düse 3 und die Kollektorein­ trittsebene 18 stellen offene Enden der Röhre dar, an denen sich Minima des Schalldruckpegels ausbilden. Weitere Minima entstehen im Abstand von jeweils einer halben Wellenlänge. Die Lage der Schalldruckpegelmaxima ist von entscheidender Bedeu­ tung für die Bestimmung der Positionen der Öffnungen. Die Zu­ sammenhänge werden weiter unten genauer erläutert.

Fig. 3 zeigt verschiedene Varianten von Öffnungen, wie sie in der Wand der Rückführungsröhre 2 enthalten sein können. Gemäß Fig. 3a werden die Öffnungen bzw. Löcher 46 in die Wand der Strömungsrückführungsröhre 2 geschnitten. Gemäß Fig. 3b können derart hergestellte Öffnungen oder Löcher mit einer elasti­ schen Folie 40 abgedeckt sein, welche die Öffnung einerseits statisch abdichtet, andererseits für die tieffrequenten Druck­ pulsationen akustisch transparent ist.

Gemäß Fig. 3c kann jede Öffnung mit einem Kragen 41 versehen sein, der von der Wand der Strömungsrückführungsröhre 2 nach außen weist, während gemäß Fig. 3d der Kragen zur Aufnahme ei­ ner elastischen Folie 40 dienen kann, welche die Öffnung ana­ log zu Fig. 3b abdeckt.

Gemäß Fig. 3e ist der Kragen 41 an seinem äußeren Ende mit ei­ ner massiven Platte 43 verschlossen, während gemäß Fig. 3f die Öffnung durch eine Lochplatte bzw. ein Lochblech 45 abgedeckt sein kann. Die Öffnungen gemäß Fig. 3e und 3f sind bei einerr bevorzugten Ausführungsform mit einer elastischen Folie 40 ab­ gedeckt.

Die Fläche der Öffnungen kann von verschiedener geometrischer Gestalt sein, z. B. rund, oval, quadratisch, rechteckig oder schlitzförmig. Es können mehrere Öffnungen in verschiedenen Kombinationen vorgesehen werden, z. B. in Form einer Reihe von eng benachbarten, relativ kleinen Öffnungen, in Form von ein­ zelnen, relativ großen Öffnungen oder als Kombination dieser Formen.

Die verschiedenen Öffnungen haben abhängig von ihrer Gestal­ tung und ihrer Positionierung innerhalb der Rückführungsröhre 2 unterschiedliche physikalische Wirkung:

• 1. Durch relativ große Öffnungen wird ähnlich wie bei einer Flöte die Resonanzfrequenz der Stromrückführungsröhre zu höheren Frequenzen hin verschoben. Liegt die verschobene Resonanzfrequenz genügend weit oberhalb der bevorzugten natürlichen Anregungsfrequenz f der Strömungsinstabilitä­ ten, wird der Resonanzmechanismus unterbrochen, und die Pulsationen verschwinden.
  Die relativ großen Öffnungen entfalten immer dann die größte Wirksamkeit, wenn sie am Ort eines Schalldruckpe­ gelmaximums angeordnet sind (siehe dazu auch Fig. 2). Fig. 4 zeigt in einem Windkanal gemessene Schalldruckpegel­ spektren im Normalzustand des Kanals (durchgezogene Linie) und mit einer relativ großen Öffnung in der Strömungsrück­ führungsröhre 2 in der Nähe des Ventilators 9 (gestrichel­ te Linie). Die Frequenz der Pulsationen beträgt 3,5 Hz. Im Normalzustand des Kanals beträgt der Schalldruckpegel der Pulsationen 121 dB, durch die Öffnung wird der Pegel um 23 dB auf 98 dB reduziert.
• 2. Werden die Öffnungen in Form einer Reihe mehrerer, relativ kleiner runder oder quadratischer Öffnungen oder durch ei­ ne schlitzförmige Öffnung gebildet, hat dies zum Ergebnis, daß die Schallausbreitung entlang der Rückführungsröhre bedämpft wird. Dies führt zu einer Bedämpfung der stehen­ den Welle in der Röhre, wodurch die Rückkopplung vermin­ dert wird und die Pulsation reduziert wird. Hierzu wird auf Fig. 5 verwiesen.
  Fig. 5 zeigt die Ergebnisse einer Computersimulation. Die mit 51 bezeichnete Kurve entspricht dem Spektrum des Wech­ seldrucks in der Meßstrecke an einem vorgegebenen Meßpunkt für den Fall, daß keine Öffnungen in der Rückführungsröhre 2 vorhanden sind, während mit 52 das Spektrum bezeichnet ist am gleichen Meßpunkt bei Einbringung von Öffnungen vor und nach der Meßstrecke 1. Das Diagramm nach Fig. 5 zeigt, daß sich die Resonanzfrequenzen der Rückführungsröhre durch das Anbringen der Öffnungen geringfügig verschieben (z. B. von 2,0 Hz auf 2,4 Hz bei der ersten Resonanz und von 3,4 Hz auf 4,1 Hz bei der zweiten Resonanz) und daß sich gleichzeitig die Spitzenwerte des Schalldruckpegels bei den Resonanzfrequenzen verringern (z. B. um 19 dB bei der ersten Resonanz und um 15 dB bei der zweiten Reso­ nanz).

Soweit erfindungsgemäß relativ große Öffnungen vorgesehen wer­ den, ist als Grundlage für die Bestimmung der axialen Position die Frequenz f der zu beseitigenden Pulsation zu messen. Aus der Frequenz f und der Länge L der Rückführungsröhre 2 ergibt sich näherungsweise die Anzahl n der halben Wellenlängen ent­ lang der Rückführungsröhre nach der Gleichung n = 2f₂L/c, wobei c = 340 m/s die Schallgeschwindigkeit darstellt. Die Länge L wird gemessen entlang der Kanalachse, beginnend mit der Ein­ trittsebene am Kollektor 3 über die Ventilatoreinheit 9 bis zur Austrittsöffnung der Ausblasdüse 18. Damit läßt sich die Gestalt der stehenden Welle in der Strömungsrückführungsröhre bestimmen, insbesondere die axiale Position der Druckmaxima und der Druckminima. Insoweit wird auf Fig. 2 verwiesen. Die Öffnungen werden erfindungsgemäß in einer Querschnittsebene angebracht, in welcher der Schalldruckpegel der stehenden Wel­ le ein Maximum besitzt. Eine geeignete Position für die Öff­ nungen ist in der Regel die Stelle, die einen Abstand von un­ gefähr 1/4 Wellenlänge zur Eintrittsebene des Kollektors 3 o­ der zur Austrittsebene der Ausblasdüse 18 einhält. Die azimu­ tale Position der Öffnungen, d. h. die Lage auf dem Umfang der Strömungsrückführungsröhre ist hingegen nicht von Bedeutung. Die optimale Gesamtflächengröße der Öffnungen läßt sich expe­ rimentell ermitteln. Als Anhaltswert kann von etwa 1-2% der Querschnittsfläche der Strömungsrückführungsröhre an dem Ort ausgegangen werden, an welchem die Öffnungen vorgesehen wer­ den.

Werden, wie oben dargelegt, anstelle weniger und relativ gro­ ßer Öffnungen Reihen oder eine Reihe mehrerer, relativ kleiner Öffnungen vorgesehen oder schlitzförmige Öffnungen, dann be­ findet sich die optimale axiale Position der Öffnungen unmit­ telbar hinter dem Kollektor 6 oder vor der Düse 5, wie dies in Fig. 1 durch die Öffnungen 20, 21, 22 und 24, 25, 26 veran­ schaulicht ist. Diese Öffnungen werden vorzugsweise in Form einer axialen Reihe mehrerer relativ kleiner Löcher ausgebil­ det, wobei die Länge der Lochreihe das 1-2fache des Durchmes­ sers der Strömungsrückführungsröhre 2 an der Stelle der Öff­ nungen beträgt. Die Form der einzelnen Öffnungen kann rund o­ der rechteckig sein. Die azimutale Position der Lochreihen bzw. Öffnungsreihen ist hierbei unkritisch. Fig. 6 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel mit zwei parallel verlaufenden Lochreihen, wie sie im Diffusor 4 bzw. vor der Ablaßdüse 18 vorgesehen sein können. Ein Teil der zueinander parallelen Öffnungen ist in Fig. 6 mit 24, 25, 26 bzw. 24', 25', 26' be­ zeichnet. Somit sind diese Öffnungen in zwei Felder aufge­ teilt.

Claims (11)

1. Windkanal, insbesondere für aero-akustische Messungen, mit einer Freistrahl-Meßstrecke (1) und einer Strömungsrück­ führungsröhre (2), bei dem vor der Freistrahl-Meßstrecke (1) eine Ausblasdüse (18) und hinter der Freistrahl-Meßstrecke (1) ein Diffusor (4) vorgesehen ist, mit einer in der Strömungsrückfüh­ rungsröhre (2) angeordneten Ventilatoreinheit (9) zur Er­ zeugung eines Luftstroms, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand der Strömungsrückführungsröhre (2) Öffnun­ gen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 24', 25', 26', 28) ausgebil­ det sind.

2. Windkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21, 22) stromauf zur Ausblasdüse (18) vorgesehen sind.

3. Windkanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (24, 25, 26; 24', 25', 26') im Diffusor (4) angeordnet sind.

4. Windkanal nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 28) am Ort ei­ nes Druckmaximums angeordnet sind, z. B. in einem Abstand von etwa 1/4 der Wellenlänge vor der Austrittsebene der Ausblasdüse (18) und/oder hinter der Eintrittsebene des Kollektors (3) vorgesehen sind.

5. Windkanal nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 28) in einer axialen Reihe in der Wand der Strömungsrückführungsröhre (2) vorgesehen sind.

6. Windkanal nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtflächengröße der Öffnungen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 28) etwa 1-2% der Querschnittsfläche desjenigen Abschnitts der Strömungsrückführungsröhre (2) entspricht, an welcher die Öffnungen vorgesehen sind.

7. Windkanal nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 28) mit einer elastischen Folie (40) abgedeckt sind.

8. Windkanal nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 28) jeweils mit einem aufgesetzten Kragen (41) versehen sind.

9. Windkanal nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 28) mit einem aufgesetzten Kragen (41) versehen sind und daß der Kragen (41) durch eine massive Platte (43) oder ein Lochblech (45) verschlossen ist.

10. Windkanal nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 28) mit einer elastischen Folie (40) versehen sind.

11. Windkanal nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (20, 21, 22, 24, 25, 26, 28) am Ort ei­ nes Druckmaximums der stehenden Welle entlang der Rückfüh­ rungsröhre (2) angeordnet sind.