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Die
Erfindung betrifft einen Windkanal mit einem darin angeordneten
Modell, insbesondere einem Modell eines Luftfahrzeugs, zur Erfassung
und Auswertung einer Vielzahl von Messdaten, wobei der Windkanal
mindestens eine Rechnereinheit und mindestens ein Datensichtgerät, insbesondere
mindestens einen Bildschirm, sowie mindestens einen Sensor zur Erfassung
der Messdaten aufweist.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung
einer Vielzahl von Messdaten aus einem Windkanal mit einem darin
angeordneten Modell, insbesondere einem Modell eines Luftfahrzeugs,
wobei die mittels mindestens eines Sensors ermittelten Messdaten
aus dem Windkanal, insbesondere Messdaten über Druck- und Strömungszustände am Modell
und/oder im Bereich des Modells, in mindestens eine Rechnereinheit
mit mindestens einem Datensichtgerät, insbesondere mindestens
einem Bildschirm, überfragen
werden.
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Bei
der Auswertung von Messdaten aus bekannten Windkanälen werden
die Messdaten zumindest numerisch angezeigt und zur besseren Darstellbarkeit
gegebenenfalls auf einem Computermonitor und/oder einem Drucker
zweidimensional, beispielsweise als xy-Plot, dargestellt. Während einer
laufenden Windkanalmessung erfolgt die Ausgabe einzelner Messpunkte
in der Regel schon während
der Messung auf einem Bildschirm, während eine Druckausgabe einer
aus einer Vielzahl von Einzelmessungen bestehenden Messreihe erst
nach der vollständigen
Aufnahme eine umfassendere Analyse der Daten zu Interpretationszwecken
erlaubt. Bislang kann eine Auswertung der Daten und der daraus abzuleitenden
Maßnahmen,
wie zum Beispiel eine Änderung
der Einstellgrößen oder
dergleichen, erst nach einer menschlichen Inaugenscheinnahme erfolgen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile der
bekannten Ausführungsformen
von Windkanälen
bzw. die Nachteile bei der Erfassung und Auswertung von aus bekannten Windkanalsystemen
gewonnenen Messdaten weitgehend zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Windkanal nach Maßgabe des Patentanspruchs 1
gelöst.
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Dadurch,
dass die Vielzahl von Messdaten aus dem Windkanal, insbesondere
Messdaten über Strömungs- und/oder
Druckzustände
am Modell und/oder im Bereich des Modells, die mittels des wenigstens
einen Sensors erfassbar sind, in Echtzeit und unter Berücksichtigung
von Geometriedaten des Modells mittels der wenigstens einen Rechnereinheit aufbereitbar
und während
einer Windkanalmessung auf dem wenigstens einen Datensichtgerät visualisierbar
sind, kann die Plausibilität
der aus dem erfindungsgemäßen Windkanal
gewonnenen Messdaten schnell überprüft werden.
Die Geometriedaten des Windkanalmodells stammen hierbei vorzugsweise aus
einem CAD-Programm, das bei dessen Konstruktion eingesetzt wurde.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des Windkanals sieht vor, dass die Messdaten
mittels der wenigstens einen Rechnereinheit auf dem wenigstens einen
Datensichtgerät
zur Visualisierung dreidimensional grafisch darstellbar sind.
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Hierdurch
ist eine besonders anschauliche Darstellung der gewonnenen Messdaten
möglich. Bevorzugt
werden die Strömungs-
und Druckverhältnisse
im Bereich des Modells im Windkanal hierbei durch dreidimensionale
Vektoren dargestellt, die eine intuitive Analyse der Luftströmung ermöglichen.
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Nach
Maßgabe
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Windkanals ist vorgesehen,
dass die dreidimensionale grafische Darstellung der Messdaten auf
dem wenigstens einen Datensichtgerät mittels eines Steuergeräts interaktiv
beeinflussbar ist.
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Bevorzugt
ist das Steuergerät
als dreidimensionale Maus, Joystick oder dergleichen ausgebildet, so
dass sich ein Betrachter durch die Betätigung des Steuergeräts frei
innerhalb der durch dreidimensionale Vektoren visualisierten Strömungsverhältnisse im
Windkanal bewegen kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Windkanals sieht vor, dass
eine Position des wenigstens einen Sensors im Raum in Abhängigkeit
von den Messdaten mittels wenigstens einer Positioniereinrichtung
kontrolliert von der Rechnereinheit variierbar ist.
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Mittels
der Rechnereinheit werden zunächst die
von dem mindestens einen Sensor übermittelten Messdaten
in Echtzeit ausgewertet, um Kennwerte zu bestimmen, anhand derer
erforderlichenfalls die Position des Sensors im Windkanal verändert werden
kann. Hierdurch lässt
sich der mindestens eine Sensor beispielsweise in Wirbelkernbereiche
des Luftstroms im Windkanal verfahren, wobei die Steuerung bzw.
die Regelung des Positioniervorgangs des Sensors gleichfalls von
der Rechnereinheit überwacht
wird. Somit lässt
sich der Fokus der dreidimensionalen grafischen Darstellung automatisch
auf aerodynamisch relevante bzw. interessante Bereiche des Luftstroms,
in denen zum Beispiel Turbulenzen existieren, ausrichten.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Position des Modells
im Raum in Abhängigkeit
von den Messdaten mittels einer Positioniereinrichtung kontrolliert
von der Rechnereinheit variierbar ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht
es, zusätzlich
die Lage des Modells im Raum, also beispielsweise den Anstellwinkel
des Modells in Bezug auf den Luftstrom im Windkanal, in Abhängigkeit
von den Messwerten und gesteuert bzw. geregelt von der Rechnereinheit
zu verändern.
Dies kann zum Beispiel erforderlich sein, wenn die Auswertung der Messdaten
mittels der Rechnereinheit zu Kennwerten führt, die auf Turbulenzen im
Luftstrom hindeuten.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Windkanals sieht vor, dass
mittels einer Windkanalsteuereinrichtung Betriebsparameter des Windkanals,
insbesondere die Drehzahl eines Antriebsmotors eines Gebläses des
Windkanals, in Abhängigkeit von
den Messdaten von der Rechnereinheit beeinflussbar sind.
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Mittels
der Rechnereinheit ist somit die Geschwindigkeit des Luftstromes
im Windkanal beeinflussbar. Darüber
hinaus lassen sich weitere Betriebsparameter des Windkanals, wie
zum Beispiel die Lufttemperatur des Luftstroms, gesteuert bzw. geregelt
von der Rechnereinheit erforderlichenfalls verändern.
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Weiterhin
wird die erfindungsgemäße Aufgabe
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Dadurch,
dass unter Berücksichtigung
von Geometriedaten des Modells die Messdaten in der wenigstens einen
Rechnereinheit in Echtzeit aufbereitet und auf dem wenigstens einen
Datensichtgerät während einer
Windkanalmessung visualisiert werden, ist schon während einer
laufenden Windkanalmessung eine zuverlässige Analyse, insbesondere eine
Plausibilitätsprüfung, der
aus der Windkanalmessung gewonnenen Messdaten, möglich.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Windkanals und des Verfahrens sind
in den weiteren Patentansprüchen
dargelegt.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 Eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Windkanals mit einem Windkanal.
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Anhand
der 1 sollen sowohl der Windkanal als auch das zur
Auswertung von Windkanaldaten eingesetzte erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert werden.
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Die 1 zeigt
einen schematisierten Aufbau des Windkanals zur Erfassung und Auswertung von
Messdaten.
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In
einem Windkanal 1 werden Messdaten 2, 3,
insbesondere Strömungs-
und Druckzustände, mittels
eines Sensors 4 beispielsweise in einem hinteren Bereich
eines Modells 5 eines Luftfahrzeugs aufgenommen. Mittels
derartiger Messungen können beispielsweise
Wirbelschleppen ausgemessen werden. Bei dem Sensor 4 kann
es sich zum Beispiel um eine so genannte "5-Loch-Sonde" handeln. Der Sensor 4 lässt sich
beliebig innerhalb des Windkanals 1 positionieren. Anstatt
des im Raum frei positionierbaren Sensors 4 können auch
eine Vielzahl von Sensoren fest in das Modell 5 integriert
sein, um beispielsweise die Strömungs-
und Druckzustände
im Bereich der Tragflächen
zu erfassen.
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In
den Messwandlern 6, 7 werden die Messdaten 2, 3 vorverarbeitet,
beispielsweise verstärkt, gedämpft, gefiltert,
verzögert
oder auf andere Art und Weise geeignet verändert. Die aufbereiteten Messdaten 8, 9 gelangen
im Anschluss zu einer Rechnereinheit 10.
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In
der Rechnereinheit 10 erfolgt die Umwandlung der aufbereiteten
Messdaten 8, 9 zu Kennwerten und einer dreidimensionalen
Darstellung, um eine möglichst
anschauliche Visualisierung der Messdaten 8, 9 zu
erzielen. Auf einem Datensichtgerät 11, beispielsweise
einem Bildschirm, werden die mittels der Rechnereinheit 10 generierten
dreidimensionalen Darstellungen der Messdaten 8, 9 zur
Anzeige gebracht. Eine exemplarische dreidimensionale grafische
Darstellung 12 zeigt Strömungs- und Druckzustände im Bereich einer Oberseite
der Tragfläche
des Modells 5. Eine weitere dreidimensionale grafische
Darstellung 13 zeigt zum Beispiel Strömungs- und Druckzustände in einem hinteren Bereich
des Modells 5, bei denen es sich um eine so genannte Wirbelschleppe
handelt. In den gezeigten dreidimensionalen grafischen Darstellungen 12, 13 können unterschiedliche
Messdaten 8, 9 im Bedarfsfall jeweils farblich
unterschiedlich hervorgehoben sein, um eine für einen Betrachter übersichtlichere Darstellung
zu erreichen.
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Die
Aktualisierung der dreidimensionalen grafischen Darstellung 12, 13 der
Strömungs-
und Druckzustände
erfolgt in Echtzeit, schon während der
aktuellen, laufenden Windkanalmessung. Hierdurch lässt sich
Zeit einsparen und zugleich die Plausibilität der aufbereiteten Messdaten 8, 9 auf
einfache Art und Weise intuitiv überprüfen, so
dass sich Messfehler leichter erkennen lassen. Darüber hinaus
können
ae rodynamische Optimierungen schneller durchgeführt werden, da beispielsweise
die Auswirkungen von Änderungen
an der Geometrie des Modells unmittelbar anhand der dreidimensionalen
grafischen Darstellung der Strömungs-
und Druckzustände
beobachtet bzw. beurteilt werden können.
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Mittels
eines nicht dargestellten Steuergeräts, beispielsweise in der Form
einer dreidimensionalen Maus, eines Joysticks oder dergleichen,
kann der Blickwinkel, unter dem die dreidimensionalen grafischen
Darstellungen 12, 13 auf dem Datensichtgerät 11 visualisiert
werden können
bzw. der Standpunkt eines virtuellen Betrachters in Bezug auf das Modell 5 im
Windkanal 1, beliebig und in Echtzeit variiert werden.
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Um
die räumliche
Gestalt des Modells 5 zur Generierung der dreidimensionalen
grafischen Darstellung 12, 13 der Strömungs- und
Druckzustände möglichst
genau berücksichtigen
zu können,
werden zusätzlich
eine Vielzahl von Geometriedaten 14 des Modells 5 in
die Rechnereinheit 10 eingespeist. Die Geometriedaten 14 können beispielsweise
aus einem Konstruktionssystem 15 abgeleitet werden, das für die Entwicklung
des Modells 5 herangezogen wurde und das die entsprechenden
dreidimensionalen Daten enthält.
Die Geometriedaten 14 liegen vorzugsweise in der Form von
Oberflächenpunkten
mit jeweils drei Raumkoordinaten vor.
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Die
Rechnereinheit 10 kann als ein Digitalrechner, beispielsweise
als leistungsstarker Standard-PC, als Workstation oder dergleichen
ausgebildet sein. Die Kommunikation zwischen dem Sensor 4,
den Messwandlern 6, 7, der Rechnereinheit 10 sowie
dem Konstruktionssystem 15 erfolgt durch standardisierte
bekannte Informationsübertragungssysteme,
wie zum Beispiel Ethernet®, Profi-Bus® oder dergleichen.
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Weiterhin
verfügt
der Windkanal 1 über
einen Antriebsmotor 16 zum Antrieb eines Gebläses 17, der
neben weiteren nicht dargestellten Einrichtungen des Windkanals 1 von
einer Windkanalsteuereinrichtung 18 geregelt bzw. gesteuert
wird. Insbesondere lässt
sich mittels der Windkanalsteuereinrichtung 18 die Drehzahl
des Antriebsmotors 16 und damit die Strömungsgeschwindigkeit eines
den Windkanal 1 durchsetzenden und vom Gebläse 17 erzeugten
Luftstroms 19 verändern.
Mittels einer Steuerleitung 20 ist die Windkanalsteuereinrichtung 18 mit
der Rechnereinheit 10 verbunden.
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Durch
eine optionale Positioniereinrichtung 21 ist die Lage des
Modells 5 im Raum auch während einer laufenden Messung
nahezu beliebig im Windkanal 1 variierbar. Die Bewegungsmöglichkeiten
des Modells 5 in Richtung der x-, der y- sowie der z-Achse des Raums sind
durch ein Koordinatensystem 22 veranschaulicht. Darüber hinaus
kann eine zusätzliche
Verschwenkbarkeit des Modells 5, beispielsweise um mindestens
die y-Achse des Koordinatensystems 22 vorgesehen sein.
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Die
Positioniereinrichtung 21 zur Durchführung der Lageveränderungen
des Modells 5 im Windkanal 1 ist mittels einer
weiteren Steuerleitung 23 mit der Rechnereinheit 10 verbunden.
Die Lageveränderungen
des Modells 5 erfolgen durch die Positioniereinrichtung 21 und
werden hierbei von der Rechnereinheit 10 in Echtzeit gesteuert
bzw. geregelt. Aus den Messdaten 2, 3, 8, 9 kann
die Rechnereinheit 10 zu diesem Zweck Kennwerte ermitteln,
anhand derer sich Positionssollwerte für eine Lageveränderung des
Modells 5 ermitteln lassen. Hierdurch lässt sich gesteuert bzw. geregelt
von der Rechnereinheit 10, beispielsweise der Anstellwinkel
des Modells 5 in Bezug auf den Luftstrom 19 mittels
der Positioniereinrichtung 21 verringern, wenn in bestimmten
Bereichen des Luftstroms 19 aerodynamische Anomalien, wie
zum Beispiel Turbulenzen oder dergleichen, auftreten. Die Positioniereinrichtung 21 verändert hierbei
die Lage des Modells 5 im Luftstrom 19 solange, bis
die von der Rechnereinheit 10 vorgegebenen Positionssollwerte
erreicht sind.
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Der
Sensor 4 ist gleichfalls optional mittels der Positioniereinrichtung 24 in
allen Richtungen des Raums frei positionierbar ausgebildet. Die
Steuerung bzw. die Regelung der Positioniereinrichtung 24 erfolgt
gleichfalls durch die Rechnereinheit 10, wobei die Rechnereinheit 10 mittels
der Steuerleitung 25 mit der Positioniereinrichtung 24 des
Sensors 4 verbunden ist.
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Die
Option der freien Positionierbarkeit des Sensors 4 im Raum
ermöglicht
es unter anderem, den Fokus der von der Rechnereinheit 10 generierten dreidimensionalen
grafischen Darstellungen 12, 13 erforderlichenfalls
selbsttätig
auf aerodynamisch relevante bzw. kritische Bereiche des Luftstroms 19, beispielsweise
auf Turbulenzen im Bereich des Modells 5, zu richten. Dies
kann zum Beispiel durch eine Berechnung der so genannten "Zirkulation" aus den Messdaten 2, 3, 8, 9 eines
beispielswei se als "5-Loch-Sonde" ausgebildeten Sensors 4 erfolgen. Durch
die Ermittlung der "Zirkulation" lässt sich
die voraussichtliche Lage eines Wirbelkerns im Luftstrom 19 bestimmen.
Dieser Kennwert betrifft die räumliche
Lage des Wirbelkerns und wird als ein Positionssollwert für die räumliche
Position des Sensors 4 von der Rechnereinheit 10 an
die Positioniereinrichtung 24 übermittelt, sodass der Sensor 4 selbsttätig auf
diesen von der Rechnereinheit 10 ermittelten Positionssollwert,
der in der Regel eine für
die dreidimensionale grafische Darstellung sowie die Auswertung
geeignetere Messposition darstellt, verfahren wird.
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Darüber hinaus
kann zum Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit
des Luftstroms 19 mittels der Windkanalsteuereinrichtung 18 oder
auch eine Drehzahl eines Triebwerksimulators (TPS) am Modell 5 kontrolliert
von der Rechnereinheit 10 verändert werden, um ein bestimmtes
Geschwindigkeitsverhältnis des
mit dem Triebwerksimulators erzeugten Triebwerkstrahls in Relation
zur Strömungsgeschwindigkeit
des Luftstroms 19 zu erzeugen. Erforderlichenfalls kann
auch die Temperatur des Luftstroms 19 von der Rechnereinheit 10 in
Abhängigkeit
von den Messdaten 2, 3, 8, 9 gesteuert
bzw. geregelt werden.
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Die
Steuerleitungen 20, 23, 25 können gleichfalls
mit bekannten Informationsübertragungssystemen,
wie zum Beispiel Ethernet®, Profibus® oder
dergleichen, gebildet sein. Anstatt des einen exemplarisch gezeigten
Sensors 4 können
eine Vielzahl von Sensoren im Bereich des Modells 5 oder auch
unmittelbar am Modell 5 angeordnet sein. Darüber hinaus
können
Sensoren eingesetzt werden, die eine Vielzahl von Messdaten, beispielsweise
entlang einer Linie, ermitteln (sog. Rechensensoren). Werden mehrere
Sensoren im Windkanal 1 vorgesehen, so sind diese vorzugsweise
jeweils auf einer Positioniereinrichtung angeordnet, sodass die
Positionen der Sensoren im Raum jeweils unabhängig voneinander durch die
Rechnereinheit 10 kontrollierbar sind.
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Der
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
gestaltet sich wie folgt:
Während
des Ablaufs der jeweils aktuellen Messung im Windkanal 1 am
Modell 5 nimmt der Sensor 4 ständig die Messdaten 2, 3 auf,
die zu den Messwandlern 6, 7 weiter geleitet werden.
In den Messwandlern 6, 7 erfolgt die geeignete
messtechni sche Aufbereitung der Messdaten 2, 3.
Die so aufbereiteten Messdaten 8, 9 werden an
die Rechnereinheit 10 zur Weiterverarbeitung weitergeleitet.
In der Rechnereinheit 10 selbst erfolgt dann unter Berücksichtigung der
Geometriedaten 14 des Konstruktionssystems 15 die
Umwandlung der numerischen Messdaten 8, 9 in eine
dreidimensionale grafische Darstellung 12, 13, die
in Echtzeit auf dem Datensichtgerät 11 sichtbar gemacht
wird. Die Generierung der dreidimensionalen grafischen Darstellungen 12, 13,
die die Strömungs-
und Druckzustände
im Bereich des Modells 5 im Windkanal 1 zu einem
bestimmten Zeitpunkt repräsentieren,
erfolgt mit sehr hoher Geschwindigkeit und daher nahezu verzögerungslos,
das heißt
in Echtzeit, so dass schon während
einer laufenden Windkanalmessung Plausibilitätserwägungen hinsichtlich der Messdaten 2, 3, 8, 9 gemacht
werden können.
Darüber
hinaus werden die Auswirkungen von Änderungen an der Geometrie
des Modells 5, beispielsweise zum Zweck einer aerodynamischen Optimierung
des Modells 5 oder dergleichen, nahezu unverzüglich auf
dem Datensichtgerät 11 sichtbar
gemacht, so dass bisher langwierige Optimierungsprozesse erheblich
beschleunigt werden können.
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Darüber hinaus
lassen sich, wie im Rahmen der Beschreibung des Windkanals 1 erläutert wurde, mittels
der Rechnereinheit 10 eine Vielzahl von Kennwerten ermitteln.
Anhand dieser Kennwerte lassen sich zum Beispiel die Position des
Sensors 4, die Lage des Modells 5 im Windkanal 1,
die Drehzahl des Antriebsmotor 16 des Gebläses 17 und
damit die Strömungsgeschwindigkeit
des Luftstroms 19 im Windkanal 1 in Echtzeit jeweils
gesteuert bzw. geregelt von der Rechnereinheit 10 variieren.
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- 1
- Windkanal
- 2
- Messdaten
- 3
- Messdaten
- 4
- Sensor
- 5
- Modell
- 6
- Messwandler
- 7
- Messwandler
- 8
- Messdaten
(aufbereitet)
- 9
- Messdaten
(aufbereitet)
- 10
- Rechnereinheit
- 11
- Datensichtgerät
- 12
- dreidimensionale
grafische Darstellung
- 13
- dreidimensionale
grafische Darstellung
- 14
- Geometriedaten
- 15
- Konstruktionssystem
- 16
- Antriebsmotor
- 17
- Gebläse
- 18
- Windkanalsteuereinrichtung
- 19
- Luftstrom
- 20
- Steuerleitung
- 21
- Positioniereinrichtung
(Modell)
- 22
- Koordinatensystem
- 23
- Steuerleitung
- 24
- Positioniereinrichtung
(Sensor)
- 25
- Steuerleitung