DE2522371A1 - Windkanal - Google Patents

Description

• Windkanal Die Erfindung betrifft einen Windkanal mit geschlossener Rückführung der -Luft, der aus Meßstrecke, Antrieb mit Gebläse, Diffusoren, Kontraktionsdüse und Verbindungsbauteilen für eine geschlossene Luftführung besteht.
• Bei bekannten Windkanälen mit geschlossener Rückführung der Luft (sog.
• "Göttinger"- oder ''Prandtll'-Bauweise) hängt die Strömungsqualität der Meßstrecke des Windkanals von einem möglichst großem Kontraktionsverhältnis (Vorkamm erqu erschnitt zu Meßstreckenquerschnitt) und vom Öffnungs -winkel des der Meßstrecke nachgeschalteten Diffusors ab. Dieser Diffusor darf zur Vermeidung von Verlusten und von Strömungsstörungen keinen grö-0 ßeren Öffnungswinkel als etwa 4 bis 6 aufweisen. Die vorgenannten Bedingungen erfordern ein beträchtliches Bauvolumen für einen qualitativ guten Windkanal.
• Ferner sind bei der Erstellung von Windkanälen mit geschlossener I.uftführung noch die nachfolgend genannten Erfordernisse und Gegebenheiten zu berücksichtigen: Einfügung der für die Luftrückführung erforderlichen Umlenkecken in die Windkanalröhre in möglichst verlustarmer Anordnung, d. h. nach weitgehender Reduktion der Geschwindigkeit durch Diffusoren.
• ESinftigung von Antrieb und Gebläse und Beseitigung der durch das Gebläse entstehenden Störungen.
• Gute Ausnutzung der verfügbaren Leistung durch weitgehende Rückgewinnung der in der Meßstrecke vorhandenen hohen dynamischen Energie, d.h.: Umsetzung des dynamischen Druckes in statischen Druck in Diffusoren mit möglichst großem Öffnungsverhältnis und gutem Wirkungsgrad.
• Die Antriebsenergie des Windkanals wird in Wärme umgesetzt. Um eine über mtißige Erwärmung der Luft im Windkanal zu vermeiden, muß also entweder die Luft gekühlt werden oder es muß ständig ein Teil der Luft ausgetauscht werden.
• Abgase von Modelltriebwerken u. ä. rufen bei gewissen Versuchen eine zusätzliche Erwärmung und Abgaskonzentration hervor, die ebenfalls-durch Luftaustausch reduziert (bzw. eliminiert) werden muß.
• Beseitigung der an der Vorkammer ankommenden Störungen durch Gleichrichter und Dämpfungssiebe.
• Bei sehr großen Windkanälen wird mit zunehmender Reynolds-Zahl der zulässige Diffusor-Öffnungswinkel kleiner als 40 lässige , wenn Ablösungen vermieden werden sollen. Die Längenausdehnung der Diffusoren wird nicht nur absolut, sondern auch relativ größer als bei kleineren Windkanälen. Dabei wird im allgemeinen die auf die Meßstreckendaten bezogene Reynolds-Zahl zugrundegelegt: VM . DM ReM 3 wobei VM die Geschwindigkeit in der Meßstrecke ist, Dz die Meßstreckenbreite oder der Meßstreckendurchmesser und 11 die kinematische Zähigkeit des Strömungsmediums ist.
• Für Windkanalversuche, die die Entstehung und Entwicklung des aerod«5Fnamischen Lärms betreffen, sollte der Gebläselärm weitgehend von der Meßstrecke ferngehalten werden.
• Bei sehr großen Windkanalanlagen ist es wünschenswert, wenn zur besseren Nutzung der Anlage neben einer großen Meßstrecke mit mäßiger Geschwindig keit eine kleinere Meßstrecke mit möglichst hoher Geschwindigkeit einbaubar ist. Bei Betrieb mit jeder der beiden Meßstreckenvarianten sollte eine optimale Nutzung der verfügbaren Leistung sichergestellt sein.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Windkanal mit geschlossener Rückführung der Luft zu schaffen, der bei geringer Baugröße eine gute Strömungsqualität in der Meßstrecke liefert und darüber hinaus die Anpassung an Meßstrecken unterschiedlicher Größenabmessungen gestattet.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kanal in einem an die Meßstrecke anschließenden Bereich aus mehreren, parallel nebeneinander verlaufenden Röhren besteht, in denen jeweils mindestens ein Gebläse angeordnet ist. Die an die Meßstrecke anschließenden Röhren haben vorzugsweise rechteckigen oder quadratischen Querschnitt und erweitern sich, wobei die Röhren Diffusoren bilden.
• In vort eilhafter Weise erfolgt die Aufteilungdes Gebläseantriebs auf eine Anzahl Teilgebläse, die direkt an jede der Röhren angeschlossen sind. Die Baulänge der Diffusoren wird im Vergleich zum konventionellen Einzeldiffusor reduziert. Mit beiden vorgenannten Maßnahmen kann bei einem begrenzten Bauaufwand eine beachtliche Querschnitts erweiterung, die der Forderung nach einem großen Kontraktionsverhältnis genügt, sichergestellt werden.
• Durch den direkten Anschluß je eines Gebläses an eine Röhre wird die Instabilitätsneigung, die bei Parallelbetrieb vieler Gebläse zu befürchten wäre, ausgeschlossen. Es kann die separate Drosselung jeder Röhre erfolgen. Jede Röhre hat einen von den benachbarten Röhren unabhängigen Widerstand.
• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Variation des Meßstreckenquerschnitts eine dem Anteil der kleinen Meßstrecke entsprechende Anzahl Röhren dem kleinen Meßstreckenquerschnitt zugeordnet. Beim Betrieb mit großer Meßstrecke werden sämtliche Röhren und Gebläse in Funktion gesetzt.
• Die Verwendung regelbarer Gebläse ermöglicht beim Betrieb mit kleiner Meßstrecke eine der kleinerenAnzahl von Gebläsen entsprechende höhere Fördermenge pro Gebläse und eine der geforderten höheren Meßstreckengeschwindigkeit entsprechend höhere Gebläsedruckerhöhung.
• Von Vorteil ist auch, daß gröbere Ungleichförmigkeiten in der Geschwindigkeitsverteiiung am Ende der Meßstrecke, wie sie infolge des Nachlauf- und Abwindfeldes hinter Windkanalmodellen zu erwarten sind, sich auf die Röhren weniger kritisch auswirken, -als auf einen einzelnen Diffusor, weil die Ungleichförmigkeit pro Röhre wesentlich geringer ist. Dies gilt auch für die am Gebläse ankommenden Ungleichförmigkeiten in der G eschwindigkeitsv erteilung, die im wesentlichen von der Diffusionsgrenzschicht herrühren und sowohl beim Einzeldiffusor wie auch bei Vielfachdiffusoren vorhanden sind. Ungleichförmigkeiten werden beim Diffusor der erfindungsgemäßen Bauweise in optimaler und wirtschaftlicher Weise ausgeglichen. Dies wird erfindungsgemäß noch durch eine kleine, kurz vor dem Gebläse liegende Kontraktion in den Röhren begünstigt, die zur Vergleichmäßigung und besseren Ausnutzung der durch ungleichförmige Verteilung am Diffusorende vorhandenen erhöhten dynamischen Energie führt. Vor den Gebläsen gehen die Röhren vom rechteckigen Querschnitt auf einen kreisförmigen Querschnitt über; nachdenGebläsen haben sie wieder einen rechteckigen Querschnitt.
• Auch bei Verwendung einer Vielzahl über den Querschnitt verteilter Röhren kann die rechteckige oder quadratische Querschnittsform der gesamten Windkanalröhre (mit Ausnahme des Gebläsebereichs) beibehalten werden. Dies ermöglicht die kostengünstige Betonbauweise ohne gekrümmte Flächen.
• Die aus mehreren Röhren bestehende Bauweise wirkt geräuschdämpfend. Darüber hinaus sind die Zwischenwände für die Durchführung weiterer Lärmdämm -Maßnahmen geeignet. Hierfür kann beispielsweise schallschluckendes Isoliermaterial, das mit Lochblechen abgedeckt ist, verwendet werden.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, die nachfolgend beschrieben sind.
• Es zeigen: Fig. 1 einen zum Stand der Technik gehörenden Windkanal mit geschlossener Rückführung der Luft in sog. "Göttinger"- oder "Prandtl"-Bauweise, Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Windkanal der erfindungsgemäßen Art, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie I-I von Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt entlang der I,inie II-II und III-III von Fig. 2 und Fig. 5 die Zumischung von Frischluft bei einem erfindungsgemäßen Windkanal.
• Fig. 1 zeigt einen zum Stand der Technik gehörenden Windkanal 102 mit geschlossener Rückführung der Luft. Er besteht aus einer Meßstrecke 104, die mit einem ersten Diffusor 106 verbunden ist. Der Öffnungswinkel dieses Diffusors darf nicht mehr als 4 bis 6 Winkelgrade betragen, da anderenfalls Strömungsablösungen auftreten. Bei sehr großen Windkanälen wird mit zunehni end er R Reynolds-Zahl der zulässige Diffusoröffnungswinkel sogar kleiner als 40 Dies bedeutet, daß die Längenausdehnung des Diffusors nicht nur absolut, sondern auch relativ größer als bei kleinen Windkanälen bzw. kleineren Diffusoren wird. Über Umlenkecken 108 und 110, die jeweils ein Umlenkgitter 112, 114 aufweisen, schließt sich ein Bauteil 116 an, das einen aus Nabe 118 und Gebläserad 120 bestehenden Antrieb enthält. Bei 122 verjüngt sich die Nabe, so daß hier ein Nabendiffusor 124 gebildet ist. Dieser Nabendiffusor 124 steht in Verbindung mit einem zweiten Diffusor 126, der wie Diffusor 106 einen geringen Öffnungswinkel aufweist. Daran anschließend sind Umlenkecken 128, 130 mit Umlenkgittern 132, 134 vorhanden, die zu einem Steildiffusor 136 führen. Der Steildiffusor ist gegebenenfalls mit Luftaustritt oder Kühler versehen. In Strömungsrichtung schließt sich eine Vorkammer 138 an, die einen Gleichrichter 140 und Beruhigungsnetze 142 entdüse hält. Es folgt eine Kontrald;ions -144, die mit der Meßstrecke 104 in Verbindung steht.
• Eine gute Strömungsqualität in der Meßstrecke 104 wird erzielt, wenn ein möglichst großes Kontraktionsverhältnis ( Kammerquerschnitt 144 zu Meßstreckenquerschnitt 104) vorhanden ist.
• Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäl3en Windkanal 2 mit einer großen WIeBstrekke 3 und einer kleinen Meßstrecke 4. Diese Meßstrecken mit unterschiedlichen Querschnittsverhältnissen sind gegeneinander austauschbar. Daran schließt sich ein erster Diffusor 6 an, der im Ausführungsbeispiel aus 25 Teilröhren 7 mit quadratischem Querschnitt besteht. Dies ist in Fig. 3 verdeutlicht. Es können auch Röhren mit rechteckigem Querschnitt oder mehreckige Röhren (z. B. sechseckige, die einen Querschnitt nach Art der Bienenwaben bilden) verwendet werden. Nach Umlenkecke 8 mit Umlenkgitter 12 münden die Röhren 7 in einen weiteren Diffusor 9, an den sich Umlenkecke 10 mit Umlenkgitter 12 anschließt. Dieser Diffusor 9 kann auch durch ein Bauteil ersetzt werden, das die Zumischung von Frischluft gestattet, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
• Hierzu weisen die Zwischenwände 50 und die Seitenwände 51 Schächte 52 auf und der Querschnitt der Röhren 7 erweitert sich hinter den Luftöffnungen 54, die mittels der Klappen 56 verschließbar sind.
• Zu Beginn und am Ende der Umlenkecke 10 haben die Röhren einen Querschnitt, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. In jeder der 25 Röhren befindet sich nun ein Gebläse 17 mit einer Nabe 18 und einem Gebläserad 20. Jedes Gebläse kann einzeln angetrieben und geregelt werden. Im Bereich der Gebläse 17 haben die Röhren 7 einen kreisringförmigen Querschnitt, der sich in einem Nabendiffusor 24 fortsetzt und allmählich wieder in einen quadratischen Querschnitt eines Diffusors 25 übergeht. Hier enden die Röhren 7 und gehen in einen Einzeldiffusor 26 konventioneller Bauart oder in eine zylindrische Beruhigungsstrecke über. An dieses Bauteil schließen sich Umlenkecken 28, 30 an, die Umlenkgitter 32, 34 enthalten. Es folgt nun ein Weitwinkeldiffusor 36 und daran anschließen ein Luftaustritt 37 sowie eine Vorkammer 38 mit Gleichrichter 40 und Dämpfungssieben 42. Eine Kontraktionsdüse 46 führt zur Meßkammer 4.
• Erfindungswesentlich ist die Gestaltung der Bauteile, die am Ende der Meßstrecke 4 beginnt und zu Beginn des Einzeldiffusors 26 endet. Entlang sämtlicher Bauteile verlaufen hier Röhren 7 mit rechteckigem und im Bereich des Gebläses kreisförmigem Querschnitt. Durch die Aufteilung in mehrere-Röhren wird die Baulänge des Diffusors 6 gegen über der Baulänge des Diffusors 106 von Fig. 1 wesentlich verringert. Sie reduziert sich auf die fache Länge, wobei N die Gesamtzahl der Röhren ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind 25 Röhren 7 vorhanden, so daß sich die Länge des T)iffusors 6 auf 1/5 der Länge des Diffusors 106 vermindert, ohne daß Ablösungen der Strömung auftreten. Strömungsablösungen treten ebenfalls nicht in dem zwischen den Umlenkecken 8 und 10 angeordneten Diffusor 9, im Nabendiffusor 24 und im Diffusor 25 auf, die sämtlich aus mehreren Röhren 7 bestehen. In jeder Röhre 7 befindet sich je ein Gebläse 17, wobei durch separate Widerstände einer jeden Röhre Instabilitätsneigungen, die beim Parallelbetrieb vieler Gebläse zu befürchten wären, ausgeschlossen werden.
• Wird die kleine Meßstrecke 4, die in Fig. 2 und 3 angeordnet ist, verwendet, so werden von ihr nur die 9 innenliegenden Röhren 7 umschlossen. 16 Röhren des Randbereichs und ihre dazugehörigen Gebläse 17 werden stillgelegt oder zum Luftaustausch mit geringerer Drehzahl betrieben. Die Gebläse 17 sind in geeigneter Weise regelbar, so daß bei Betrieb mit der kleinen Meßstrecke 4 eine der kleineren Anzahl von Gebläsen 17 entsprechende höhere Fördermenge pro Gebläse und eine der höheren Meßstreckengeschwindigkeit entsprechende höhere Gebläsedruckerhöhung erzielt wird.
• Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, bilden die einzelnen Röhren 7 zahlreiche Zwischenwände, die mit Lärmdämmitteln ausgestattet werden können.

Claims (12)

P a t e n t a n s p r ü c Ii e

1. Windkanal mit geschlossener Rückführung der Luft, der aus Meßstrecke, Antrieb mit Gebläse, Diffusoren, Kontraktionsdüse und Verbindungsbauteilen für eine geschlossene Luftführung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (2) in einem an die Meßstrecke (3, 4) anschließenden Bereich aus mehreren über die Querschnittsfläche angeordneten Röhren (7) besteht, in denen jeweils mindestens ein Gebläse (17) angeordnet ist.

2. Windkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Röhre (7) im Anschluß an die Meßstrecke (3, 4) im Querschnitt erweitert, wobei die Röhren Diffusoren (6) bilden.

3. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Röhre (7) mehrere hintereinander befindliche Diffusoren (6, 9, 24, 25) bildet und daß zwischen den Diffusoren Umlenkecken (8, 10) vorhanden sind.

4. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (7) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

5. Windkanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckigen Röhren (7) gemeinsame Zwischenwände aufweisen.

6. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gebläse (17) einzeln regelbar ist.

7. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläse (17) gruppenweise regelbar sind.

8. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Naben (24) hinter jedem Gebläse (17) verjüngen und sich die Röhren (7) im Querschnitt erweitern.

9. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (7) im Abstand hinter den Gebläsen (17) enden und in einen gemeinsamen Diffusor (26) münden.

10. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Meßstrecke geringeren Quer schnitts (4) nur ein Teil der Röhren (7) von der Meßstrecke (4) umschlossen ist und nur die diesen Röhren (7) zugeordneten Gebläse (17) betrieben sind.

11. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Röhre (7) Frischluft zugeführt wird.

12. Windkanal nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenwänden (50, 51) der Röhren (7) Schächte (52) mit regelbarer Öffnung (54) zur Frischluftzuführung vorhanden sind.