DE1084493B - Verfahren zum Betrieb eines Windkanals - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Windkanals

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DE1084493B
DE1084493B DESCH21392A DESC021392A DE1084493B DE 1084493 B DE1084493 B DE 1084493B DE SCH21392 A DESCH21392 A DE SCH21392A DE SC021392 A DESC021392 A DE SC021392A DE 1084493 B DE1084493 B DE 1084493B
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Dr-Ing Fritz Schoppe
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/06Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
    • G01M9/065Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing dealing with flow
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/02Wind tunnels

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)

Description

  • Verfahren zum Betrieb eines Windkanals Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Be trieb eines Windkanals mit einer die schnelle Strömung in der Meßstrecke mantdartig umgebenden langsameren Strömung.
  • Die Strömungsvorgänge in einem Windkanal bei strömungstechnischen Untersuchungen eines Modellkörpers beliebigen Maßstabes müssen mit größtmöglicher Genauigkeit den Gegebenheiten in der Natur, d. h. der Bewegung des Körpers, durch eine ruhende Luftmasse unendlich großer Ausdehnung angeglichen sein. Während bei der Bewegung z.B. eines Flugkörpers in der Luft, eines Fahrzeuges auf der Straße usw. sich keine störenden Einflüsse von außen, d. h. von der Berandung des Luftraumes, durch den sich der Körper bewegt, bemerkbar machen, da diese unendlich weit bzw. relativ sehr weit entfernt liegt, so macht sich bei Windkanälen der Einfluß der Kanalwandung stets bemerkbar, und zwar um so stärker, je größer das zu messende Objekt im Verhältnis zum Kanalquerschnitt ist. Der Durchmesser der Meßstrecke eines solchen Kanals muß im allgemeinen etwa zehnmal so groß sein wie der Durchmesser des darin befindlichen Meßobjektes. Auch dann noch ergibt sich bei den Messungen ein gewisser Fehler, der als so genannte » Kanalkorrektur « berücksichtigt werden muß.
  • Man kann nicht alle Windkanalmessungen an stark verkleinerten Modellen durchführen, so daß die Wandeinflüsse des Kanals vernachlässigbar klein werden.
  • Es müssen z. B. alle Strahlantriebe, wie Staustrahler und Raketen, in Originalgröße im Windkanal untersucht werden, wobei sich diese Aggregate in vollem Betriebszustand befinden. Infolgedessen sind für solche Triebwerks-Windkanäle der klassischen Bauart große Querschnitte und damit enorme Antriebsleistungen für die Gebläse erforderlich. Es ist daher von großem Interesse, wenn man bei solchen Kanälen an Querschnitt sparen kann, holme gleichzeitig die notwendige Meßgenauigkeit zu beeinträchtigen. Eine solche Möglichkeit bietet sich aber durch Anwendung des an sich bekannten, eingangs erwähnten Mantelstrahlprinzips.
  • Daß ein Mantelstrahlkanal gegebenen Durchmessers die Testung größerer Modelle gestattet als ein üblicher Kanal vom gleichen Durchmesser, ergibt sich aus der Betrachtung von zwei Ausführungsformen der klassischen Kanalbauart, nämlich 1. eines Kanals mit geschlossener Meßstrecke und 2. eines Kanals mit offener Meßstrecke.
  • Bei einem Kanal mit geschlossener Meßstrecke, bei dem die Meßstrecke durch seitliche feste Wände begrenzt ist, werden die längs des Testobjektes laufenden Stromlinien zusammengedrängt. Dies bedeutet, daß die Luftgeschwindigkeit bei gegebener Anblasegeschwindigkeit im vorderen Staupunkt über den an dieser Stelle herrschenden Druck richtig gemessen werden kann. Die seitlich im Punkt der größten Ausbauchung des Meßobjektes gemessene Luftgeschwindigkeit wird jedoch größer sein, als wenn sich das Testobjekt in einem seitlich unbegrenzten Luftstrom mit gleicher Geschwindigkeit bewegen würde, wie es z. B. beim Flug in der freien Atmosphäre der Fall ist.
  • Diese zu hohe Luftgeschwindigkeit bewirkt im seitlich gelegenen Punkt der größten Objektausbauchung gemäß dem Gesetz von Bernoulli einen zu tiefer Unterdruck, und die Messung der Druckverteilung um den Körper herum ist daher mit Fehlern behaftet.
  • Diese Fehler können zwar durch die sogenannte Kanalkorrektur berücksichtigt werden, die Berechnung und Übertragung auf sämtliche gemessenen Werte ist aber ein ziemlich umständliches und zeitraubendes Verfahren.
  • Läßt man die Meßstrecke eines Windkanals seitlich offen, handelt es sich also um Kanäle mit offener Meßstrecke, so werden sich die Stromlinien längs des sich in der Meßstrecke befindenden Meßobjektes seitlich ausbauchen. Da die den freien Strahl umgebende Luft ruht, muß diese Ausbauchung stärker sein, als es in einem gleichmäßigen Geschwindigkeitsfeld, wie es bei einem in der Natur frei fliegenden Körper auftritt, möglich wäre. Das bedeutet, daß die in diesem Fall wiederum im Punkt der größten Ohjektausbauchung gemessene Geschwindigkeit zu klein, also der dort gemessene Druck zu hoch ist.
  • Der Druck in diesem Punkt, der den wirklichen Verhältnissen einer unendlich großen ungestörten Anströmung entspricht, muß also zwischen dem im Fall 1 der geschlossenen Meßstrecke und dem im Fall 2 der offenen Meßstrecke ermittelten Druck liegen.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Mantelstrahlkanal hinsichtlich der vorerwähnten Strömungsverhältnisse eine Kombination des Kanals mit offener und des Kanals mit geschlossener Meßstrecke darstellt. Ist näntlich~die Geschwindigkeit des Mantelstrahls gleich der Geschwindigkeit des Hauptstrahls, so hat man einen Kanal mit geschlossener Meßstrecke vor sich; ist die Geschwindigkeit des Mantelstrahls gleich Null., so entspricht der Kanal dem Typus des Kanals mit offener Meßstrecke. Da -die am TestoEekt am seitlichen Punkt der größten Ausbauchung gemessenen Drücke im Fall des Kanals mit geschlossener Meßstrecke-zu niedrig lagen, bei dem Kanal mit offener Meßstrecke aber zu hoch - verglichen mit den Verhäftnissen in der freien Atmosphäre -, ergibt sich, daß der richtige Druck zwischen diesen beiden Werten liegen muß und dadurch eingestellt werden kann, daß man die Geschwindigkeit des Mantelstrahls gegenüber der des Hauptstrahls ändert.
  • Demgemäß besteht das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Windkanals mit einer die schnelle Strömung in der Meßstrecke mantel artig umgehenden langsameren Strömung darin, daß man die Geschwindigkeit des Mantelstromes - derart zwischen Null und der Geschwindigkeit des die Meßstrecke durchfließenden schnellen Hauptstromes wählt, daß an dem Meßobjekt an charakteristischen Stellen genau die Geschwindigkeits- und Druckverteilung eintritt, die sich bei freier Anströmung in einem unendlich großen Luftraum ergibt.
  • Zur Ermittlung der Werte dieser Geschwindigkeiten stehen grundsätzlich zwei-Methoden zur Verfügung.
  • Die erste, experimenteller Art, ist die, daß man zuvor ein stark verkleinertes Modell des zu untersuchenden Objektes im Kanal mißt, wobei der Durchmesser des Modells zu dem der Meßstrecke ganz einwandfrei in einem solchen Verhältnis steht, daß die Wandströmungen des Kanals praktisch im Rahmen der Meßgenauigkeit liegen und damit vernachlässigt werden können. Dabei kann der Kanal nach dem Prinzip der geschlossenen Meßstrecke arbeiten. Noch besser ist es, wenn der Kanal auch bei den Vorversuchen am stark verkleinerten Modell bereits als Mantelstrahlkanal arbeitet, da dann immer noch vorhandene Wandstörungen noch weiter reduziert werden können. Hierbei wird die Mantelstrahlgeschwindigkeit beliebig oder nach Schätzung entsprechend den durch Versuche gewonnenen Erfahrungen eingestellt, Man ermittelt dann am stark verkleinerten Modell den wirklichkeitsgemäßen Druck an charakteristischen Stellen, z.B. an der StelleP (Fig. 1) des größten Objektdurchmessers. Bei der anschließenden Untersuchung des OriginalmeBobjektes, bei der sich die Kanalstörung stärker auswirkt und demgemäß berücksichtigt werden muß, stellt man wieder denselben Druck wie den an entsprechender Stelle des stark verkleinerten Modells gemessenen ein. Dies geschieht durch Wahl der Geschwindigkeit des Mantelstrahls zwischen der Geschwindigkeit Null und der des Hauptstrahls.
  • Damit gelingt unter Anwendung der Erfindung die Erzielung einer Druckverteilung um den Testkörper von Originalgröße, die mit größter Genauigkeit den Verhältnissen in der Natur entspricht, ohne daß die schwierige Ermittlung einer angemessenen Kanalkorrektur erforderlich gewesen wäre.
  • Eine zweite Methode ist theoretischer Art. Oftmals ist nämlich nicht einmal eine experimentelle Voruntersuchung mit stark verkleinertem Testobjekt erforderlich, weil bei den meisten Profilen die richtige Druckverteilung bis zum Punkt des größten Durchmessers mit ausreichender Genauigkeit vorausberechnet werden kann. Nach dem Ergebnis dieser Rechnung stellt man dann die Mantelstrahlgeschwindigkeit ein.
  • Der an sich bekannte Mantelstrahlkanal besitzt gegenüber den üblichen Bauarten noch einen besonderen Vorteil. Die größten Strömungsverluste eines Windkanals am Strahlrand der Meßstrecke sind proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit. Beim Mantelstrahlkanal sind die Verluste aber nur proportional dem Quadrat der Differenz der Geschwindigkeiten des eigentlichen Meßluftstrahls und des Mantelstrahls. Hat der Mantelstrahl die halbe Geschwindigkeit des Meßluftstroms, so betragen die Verluste beider Luftströme zusammen nur die Hälfte der Verluste des schnellen Meßluftstromes allein, falls dieser nicht von einem langsamen Mantelstrahl umgeben ist. Wenn man den langsamen Mantelstrahl erfindungsgemäß durch noch einen oder mehrere noch langsamere Luftströme umgibt, können die Verluste noch weiter gesenkt werden.
  • Sollen Objekte 0 untersucht werden, die in Strömungsrichtung sehr lang sind, so besteht die Gefahr, daß die sich entwickelnden Grenzschichten längs des Objekts 0 gemäß Fig. 1 zwischen den Luftströmen L und M sowie längs der Wände W infolge ihrer Verdrängungsdicke zu unzulässigen Druckgradienten in Strömungsrichtung führen. Dem kann erfindungsgemäß leicht dadurch begegnet werden, daß man die Wände sich in Strömungsrichtung erweitern läßt, wie es in Fig. 1 durch die gestrichelten Linien W' angedeutet ist. Die Wände W bzw. W' müssen nicht gerade sein, sondern können bei Bedarf auch gewölbt werden.
  • Die Ummantelung des schnellen Lufts-troms L durch einen oder mehrere langsame Luftströme M führt bei lDberschallgeschwindigkeit des Luftstroms L dazu, daß dieser sich relativ zu seiner Randbegrenzung mit Unterschallgeschwindigkeit bewegt und daß demzufolge Stoßwellen, die von der Spitze des Objekts 0 zu den Strahlrändern hin laufen, an diesen nicht reflktiert werden. Demzufolge ist die Länge der Objekte O nicht mehr wie bisher durch die des sogenannten Meßrhombus begrenzt, der von den reflektierten Stoßwellen gebildet wird. Man kann in dem Mantelstrahlkanal daher auch sehr lange Objekte untersuchen.
  • Ist die Geschwindigkeit des Luftstromes L kleiner als die Schallgeschwindigkeit, so genügt eine einzige Form der Düse D für alle Geschwindigkeiten. Dagegen ist bei Überschallgeschwindigkeit bekanntlich eine erweiterte Düse erforderlich, die sich (Fig. 2) vom engsten Querschnitt Q1 auf den Austrittsquerschnitt Q2 erweitert; die benötigte Erweiterung hängt von der Geschwindigkeit ab. Um nicht für jede gewünschte Geschwindigkeit eine andere Düse D einbauen zu müssen, werden oft verstellbare Düsen benutzt, die elastische Wände haben. Durch eine größere Zahl von Verstellschrauben können die Wände in jede ge wünschte Lage und Form gebracht werden.
  • Durch diese Vielzahl der Verstellschrauben würde der langsamere Luftstrahl M sehr gestört. Um dies zu umgehen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Düse D zunächst als Halbdüse aufzuführen (Fig. 2), deren eine Kontur durch die Ebene E gebildet wird. Spiegelt man die Düsenform an der Ebene E, so ergibt sich die Form der bekannten Laval-Düse. Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, die der Ebene E gegenüberliegende Wand als elastisches Band B auszuführen, das durch eine Kraft an einem Ende stramm ge spannt wird. Das andere Ende des Bandes B geht in eine starre Zunge Z1 über, die um eine Achse, schwenkbar ist. Damit wird der Austrittswinkel der Düse D variiert, um einen parallelen Luftstrom L zu erzeugen Das Band B gleitet über eine zweite Zunge Z2, die um eine Achse A2 geschwenkt wird; dadurch wird das Verhältnis der Querschnitte Q1: Q2 der jeweiligen Überschallgeschwindigkeit angepaßt.
  • Im Verein mit dem stetigen Übergang des elastischen Bandes B von Zunge Z1 zu Z2 kann durch einfaches Schwenken der beiden Zungen die Form der Düse D dem gesamten für Windkanäle interessierenden Bereich der Überschallgeschwindigkeiten angepaßt werden.
  • Genauso wie die Düse D kann selbstverständlich auch der an die Meßstrecke anschließende Diffusor aufgebaut sein. Der Verstellmechanismus des Diffusors kann bei Bedarf mit dem der Düse gekoppelt werden. Ebenso können statt Luft auch andere Strömungsmedien verwendet werden.
  • PATENTANSPRßCIIE: 1. Verfahren zum Betrieb eines Windkanals mit einer die schnelle Strömung in der Meßstrecke mantelartig umgebenden langsameren Strömung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Geschwindigkeit des Mantelstroms derart zwischen Null und der Geschwindigkeit des die Meßstrecke durchfließenden schnellen Hauptstromes wählt, daß an dem Meßobjekt an charakteristischen Stellen genau die Geschwindigkeitsr und Druckverteilung eintritt, die sich bei freier Anströmung in einem unendlich großen Luftraum ergibt.

Claims (1)

  1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens zwei oder mehr den schnellen Meßluftstrom umgebende Mantel ströme vorsieht.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens zwei oder mehr den schnellen Meßluftstrom umgebende Mantelströme vorsieht, deren Geschwindigkeiten vom Hauptstrom her gerechnet nach außen abnehmen.
    4. Windkanal zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer die Überschallgeschwindigkeit erzeugenden Düse, von der wenigstens eine Wand aus einem biegsamen Band besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende dieses Bandes am Düsenaustritt an eine schwenkbare Zunge ansetzt, während an seinem anderen Ende eine Spannkraft angreift und dieses durch wenigstens eine weitere schwenkbare Zunge so verformt wird, daß die gewünschte Düsenform entsteht.
    5. Windkanal nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Düse eine Halbdüse von rechteckigem Querschnitt ist, die von drei ebenen Wänden und einer gewölbten Wand gebildet wird.
    6. Windkanal nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß der an die Meßstrecke anschließende Diffusor mit den in Anspruch 4 be schriebenen Verstellvorrichtungen versehen ist.
    7. Windkanal nach Anspruch6, gekennzeichnet dadurch, daß die Verstellvorrichtungen von Düse und Diffusor gekoppelt sind.
    8. Windkanal nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, um die Reibung zwischen dem Band und der bzw. den das Band verformenden Zungen zu verringern.
    In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2472 949, 2486 287, 2 570 129, 2 580 228, 2 709 917, 2 729 974.
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