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Verfahren und Vorrichtung zum interferenzarmen Messen von
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Modellen im Windkanal Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum interferenzarmen Messen von Modellen im Windkanal, mit mindestens einer in Strömungsrichtung
geschlitzten Wand mit veränderbarem öffnungsverhältnis, bei dem das öffnungsverhältnis
eingestellt und die Messung des Drucks, der Kräfte usw. durchgeführt wird.
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Es wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufgezeigt,
die mindestens eine in Strömungsrichtung geschlitzte Wand mit variablem öffnungsverhältnis
aufweist.
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In einem Windkanal mit geschlossener Wandung wird die Strömung um
das zu vermessende Modell herum verdrängt. Dabei entstehen Winkanalinterferenzen,
also Einflüsse der begrenzten endlichen Wandung auf das Modell, die das Messen der
Drücke, Kräfte usw.
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am Modell verfälscht. Nur wenn das Modell einen relativ kleinen Querschnittsanteil
des Windkanals einnimmt, also sich die Wandung in relativ großer Entfernung von
dem Modell befindet, liegen annähernd ähnliche Verhältnisse wie im freien Flug vor.
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Der freie Querschnitt eines Windkanals ist jedoch begrenzt, weil bei
der Steigerung der Breite und Höhe des Durchströmquerschnittes eines Windkanals
auf das Doppelte die vierfache Antriebsleistung installiert werden muß.
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Um die Wandeinflüsse möglichst auszuschalten, und damit interferenzarm
messen zu können, ist es aus "TRANSONIC WIND TUNNEL TESTING" von Goethert und Nelson,
Pergamon Press 1961, S. 62, bekannt, die Wandung des Windkanals mit Schlitzen zu
versehen.
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Es ist auch der Einfluß der Zahl der Schlitze und der Schlitzbreite
sowie sich das aus dem Verhältnis der Schlitzbreite zu den verbleibenden Wandteilen
ergebende öffnungsverhältnis bekannt. Durch Vergrößerung der Anzahl der Schlitze,
also mit feinerer Schlitzverteilung, erhält man einen größeren ausnutzbaren Querschnitt
im Windkanal, also die Möglichkeit, auch größere
Modelle interferenzarm
zu messen.
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Es ist weiterhin bekannt, die Schlitze nicht nur als feste, einmal
vorgesehene relativ lange Löcher in der Wandung anzuordnen, sondern die Wand, die
einen Teil des Windkanaltunnels bildet, aus an sich beweglichen Wandteilen zusammenzusetzen,
die in ihrer Schlitzbreite und damit im öffnungsverhältnis einmal ein- und festgestellt
werden. Dabei handelt es sich also gleichsam um eine Eichung der Meßstrecke. Dieses
Eichverfahren kann in zwei Weisen durchgeführt werden.
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Es ist möglich, im gleichen Windkanal geometrisch ähnliche Modelle
zu messen, wobei insbes. ein kleines Modell und ein relativ großes bzw. größeres
Modell Verwendung finden. Von dem kleinen Modell nimmt man an, daß es eine interferenzarme
Messung zuläßt, weil der Querschnitt des Windkanals durch das kleine Modell nur
wenig beeinträchtigt und die Strömung somit nur vergleichsweise wenig verdrängt
wird, so daß sich Wandeinflüsse auf das Modell auch nur relativ wenig auswirken
können. Bei der Vermessung des größeren Modells wird die Schlitzbreite nun so lange
variiert, bis die Messung der Drükke bzw. Kräfte an dem großen Modell der Messung
der Drücke bzw. Kräfte an dem kleinen Modell entspricht. Die auf diese Weise bestimmte
Schlitzbreite wird als optimal angenommen, d. h. sie gilt als geeignete Schlitzbreite
mit minimaler Interferenz. Die Schlitzbreite wird dann fest eingestellt und verbleibt
in dieser Einstellung.
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Wenn man über interferenzarme Vergleichsmessungen eines Modells aus
einem anderen, insbes. größeren Windkanal verfügt, kann man die Schitzbreite eines
zu eichenden Windkanals so lange einstellen, bis die Meßwerte anhand der charakteristischen
Drücke oder Kräfte mit den interferenz armen Vergleichsmessungen übereinstimmen.
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Bei beiden Eichverfahren ist die Schlitzbreite nur in Bezug auf das
eine Modell sowie die eine bei der Eichung herrschende Anströmbedingung (Machtzahl,
Anstellwinkel, Schiebewinkel usw.) annähernd zutreffend bestimmt. Man hofft, daß
mit dieser Eichung und der Einstellung der Schlitzbreite auch andere Modelle bei
gleichen oder anderen Anströmbedingungen und das gleiche Modell bei anderen Anströmbedingungen
als bei der Eichung inberferenzarm gemessen werden können.
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Damit ist es bisher nur möglich, durch Eichung einer Meßstrecke insbes.
mit verschieden großen Modellen des gleichen Profils ein öffnungsverhältnis zu optimieren,
welches fest eingestellt wird. Durch das Messen der Randbedingungen kann dabei versucht
werden, die Wandeinflüsse auf das Modell zu korrigieren. Dieses Verfahren liefert
jedoch nicht die für den Entwurf von Fluggeräten notwendige Genauigkeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
aufzuzeigen, mit denen es möglich ist, verschieden ausgebildete Modelle oder Modelle
unter verschiedenen Anströmbedingungen jeweils interferenzarm zu messen. Dabei geht
es auch darum, in Windkanälen mit vorhandenen Abmessungen größere Modelle mit größerer
Genauigkeit und besseren Ähnlichkeitsbedingungen vermessen zu können, ohne daß die
Antriebsleistung des Windkanals erhöht werden muß.
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Das Verfahren kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß für jeden
einzelnen Meßpunkt der Messung zunächst bei geschlossener Wand die Druckverteilung
an der Wand über die Länge der Meßstrecke und die Druckverteilung an charakteristischen
Stellen des Modells oder die Geschwindigkeits- oder Druckverteilung an charakteristischen
Stellen im Strömungsfeld zwischen Modell und Wand gemessen wird, daß aus der Druckverteilung
an der Wand die Wandeinflüsse auf das Modell oder die charakteristiscn Stellen im
Strömungsfeld berechnet werden, und daß das öffnungsverhältnis der geschlitzten
Wand so verändert wird, daß die Wandeinflüsse
auf die charakteristischen
Stellen des Modells oder auf die charakteristischen Stellen im Strömungsfeld kompensiert
sind, bevor das Messen des Meßpunktes erfolgt. Wesentlich ist dabei, daß das Messen
jedes Meßpunktes eine erste Vergleichsmessung bei geschlossener Wand und dann eine
zweite Messung bei mit individuell eingestellter Schlitzbreite der geöffneten Wand
erfordert. Aus der ersten Vergleichsmessung lassen sich die Wandeinflüsse auf das
Modell berechnen. Rechenverfahren hierzu sind bekannt. Als Ergebnis dieses Rechenverfahrens
erhält man die durch den Wandeinfluß hervorgerufenen Zusatzdrücke oder Zusatzkräfte
auf das Modell. Die Verstellung der Schlitzbreite erfolgt nun derart, daß diese
Zusatzdrücke bzw. -kräfte minimiert werden, so daß man nach der entsprechenden Einstellung
der Schlitzbreite davon ausgehen kann, daß jeweils angepaßt an das jeweilige Modell
mit den jeweiligen Anströmbedingungen interferenzarm bzw weitgehend interferenzfrei
gemessen werden kann. Es versteht sich, daß das Verstellen der Schlitzbreite schnell
erfolgt muß, um wirtschaftlich in einem Windkanal messen zu können. So ist es insbes.
sinnvoll, wenn zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßpunkten nach dem Messen eines
Meßpunktes das öffnungsverhältnis der Wand schnell zu Null verstellt und nach dem
erneuten Messen der Druckverteilung an der Wand schnell auf das vorherige öffnungsverhältnis
gebracht und die Differenz zu dem neuen öffnungsverhältnis eingestellt wird. Dabei
geht man davon aus, daß sich innerhalb einer Meßpunktreihe die Anströmbedingungen
nur schrittweise ändern, so daß der für die Schlitzverstellung zurückzulegende Differenzweg
zwischen zwei Meßpunkten relativ klein ist, und zwar im Vergleich zu der erforderlichen
Zwischenverstellung zu der geschlossenen Wand.
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Als charakteristische Stellen des Modells werden solche Stellen ausgewählt,
die im Bereich der nicht-abgelösten Strömung der geschlitzten Wand zugekehrt liegen.
Als charakteristische Stellen im Strömungsfeld werden solche Punkte ausgewählt,
die repräsentativ für die Anströmbedingungen sind. Es versteht sich, daß die geschlitzte
Wand z. B. nur eine Seitenwand eines rechteckig
begrenzten Windkanal
sein kann. Dies schließt aber nicht aus, z. B. auch zwei gegenüberliegend angeordnete
Wände eines Windkanals mit rechteckigem Querschnitt je als geschlitzte Wand auszubilden,
insbes. die obere und die untere Wand. Schließlich können auch alle oder die Mehrzahl
der Wände eines Windkanals mit anderem, z.B. achteckigem Querschnitt erfindungsgemäß
ausgebildet werden.
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Das Messen der Druckverteilung an der Wand wird in Strömung richtung
in der Mitte der Wand durchgeführt, wobei vorausgesetzt ist, daß das Modell mit
seiner Achse ebenfalls in der Mitte des Windkanals angeordnet wird. Mit dieser Vorgehensweise
ergibt sich die Möglichkeit, die Wandeinflüsse besonders genau festzustellen.
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Zur Erhöhung der Genauigkeit und/oder zur Vermessung nichtsymetrischer
Strömung können mehr als zwei gegenüberliegende geschlitzte Wände Verwendung finden.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnet sich
erfindungsgemäß dadurch, daß die Wand beweglich angeordnete Wandteile aufweist,
die zwischen sich oder zusammen mit feststehenden Wandteilen in Strömungsrichtung
ausgerichtete Schlitze bilden, und daß ein oder mehrere steuerbare Antriebe für
die Bewegung der beweglichen Wandteile quer zur Strömungsrichtung vorgesehen sind.
Die beweglichen Wandteile, aus denen die geschlitzte Wand auch ausschließlich bestehen
kann, werden derart beweglich angeordnet und geführt, daß sie innerhalb einer Messung,
also von Meßpunkt zu Meßpunkt jeweils verstellt werden können. Hierzu ist mindestens
ein steuerbarer Antrieb erfoderlich, weil eine Handverstellung wirtschaftlich nicht
tragbar ist. Wenn zusammen mit den beweglich angeordneten Wandteilen auch feststehende
Wandteile eingesetzt werden, versteht es sich, daß die beweglichen Wandteile symmetrisch
zu dem festen Wandteil verstellbar sein müssen. Dabei muß sichergestellt sein, daß
die unmittelbar zu dem feststehenden Wandteil benachbarten
beweglichen
Wandteile mit einfacher Geschwindigkeit bzw. mit einfachem Weg, die dann nach beiden
Richtungen folgenden Wandteile mit doppelter Geschwindigkeit bzw. doppeltem Weg,
usw.
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verstellbar Wand. Dies ist erforderlich, um die Schlitzbreite zwischen
je zwei Wandteilen bei der Verstellung immer übereinstimmend einstellen zu können.
Es ist aber auch möglich, nur bewegliche Wandteile zu benutzen.
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Die beweglichen Wandteile sind in der Wandebene geführt, so daß sich
bei Verstellung der Schlitzbreite zwar das Offnungsverhältnis, nicht aber der von
der Wandung umschlossene Querschnitt des Windkanals ändert. Es ist jedoch auch möglich,
die Realisierung der beweglich angeordneten Wandteile so durchzuführen, daß die
Wandteile zur Veränderung des öffnungsverhältnisses um ihre Längsachsen gemeinsam
verdreht werden. In diesem Fall wird die Verstelleinrichtung sehr einfach, es ergeben
sich jedoch zusätzliche Wandeinflüsse infolge der Störung der Wandströmung durch
die vorstehenden Kanten oder Flächen der beweglichen Wandteile.
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Die beweglichen Wandteile können mit paralleler oder auch konischer
Schlitzbildung verstellbar sein. Die Schlitze erstrecken sich jedoch immer in Strömungsrichtung.
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Wenn ein Antrieb für die Schnellverstellung und ein Antrieb für die
Feinverstellung der beweglichen Wandteile vorgesehen sind, kann die Verstellung
zur geschlossenen Wand einerseits und zur individuell geöffneten Wand andererseits
für jeden einzelnen Meßpunkt sehr schnell durchgeführt werden. Die Antriebe können
nacheinander wirkend oder auch gleichzeitig wirkend eingesetzt werden.
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Die die beweglichen Wandteile aufweisende geschlitzte Wand können
von einer zweiten, geschlossen ausgebildeten Wand umgeben sein, die mit Abstand
zu der geschlitzten Wand angeordnet ist. Eine solche Ausbildung ist erforderlich,
wenn der Windkanal mit Unter- oder Überdruck betrieben wird. Es versteht sich, daß
zwischen der geschlitzten Wand und der zweiten Wandung ein entsprechender Raum gebildet
ist, in den ein eil der
Strömung durch den Windkanal ausweichen
kann. Der Raum ist selbstverständlich gegenüber der Atmosphäre abgedichtet und gestattet
den Rückfluß der ausgewichenen Strömungsbestandteile in die Strömung.
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Das Verfahren und die Vorrichtung werden anhand eines Ausführungsbeispiels
weiter verdeutlicht. Es zeigt: Fig. 1 eine Ansicht einer geschlitzten Wand mit verstellbarer
Schlitzweite von außen, Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1, Fig.
3 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2, jedoch bei zusammengefahrener und damit
geschlossener Wand, Fig. 4 einen Schnitt durch einen hydraulischen Doppelzylinder
und Fig. 5 ein Weg-Zeit-Diagramm des Ablaufes einer Messung aus mehreren Meßpunkten.
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Die in Fig. 1 von der Rückseite, also von außen betrachtet dargestellte
geschlitzte Wand 1 kann eine Wand eines rechteckig begrenzten Windkanals darstellen,
dessen Strömungsrichtung durch einen Pfeil 2 angedeutet ist. Die Strömungsrichtung
ist damit parallel zu Schlitzen 3 in der Wand 1, die zwischen einem feststehenden
Wandteil 4 und beweglichen Wandteilen 5 und 6 gebildet werden. Der feststehende
Wandteil 4 möge in der Mitte des Windkanals angeordnet sein. Er trägt eine Reihe
von Meßstellen 7 zur Messung der Druckverteilung an der Wand über die Meßstrecke.
Es versteht sich, daß das zu vermessende Modell (nicht dargestellt) innerhalb des
Bereichs angeordnet ist, der von den Meßstellen 7 überstrichen wird.
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Die Schlitze 3 besitzen jeweils gleiche Breite. Die Wandteile 5 und
6 sind in der Ebene der Wand 1 verstellbar geführt (nicht dargestellt). Die Verstellung
der Breite der Schlitze 3 erfolgt über einen ersten Antrieb 8 und einen zweiten
Antrieb 9. Der erste Antrieb 8 dient im wesentlichen einer schnell durchzuführenden
Grobverstellung, während der zweite Antrieb 9 eine Feineinstellung ermöglicht. Der
erste Antrieb 8 kann beispielsweise als hydraulischer oder pneumatischer Doppelzylinder
10 (Fig. 4) ausgebildet sein, dessen Kolbenstangen 11 und 12 über Federn 13 und
14 an den beweglichen Wandteilen 5 und 6 angelenkt sind. Die Antriebe 8 und 9 sind
zwckmäßig mindestens zweifach über die Länge der Wandteile 4, 5 und 6 verteilt vorgesehen.
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Der zweite Antrieb 9 weist einen Schrittmotor 15 auf, der eine verdrehbare
Spindel 16 betätigt, auf welcher Muttern 17 und 18 axial geführt sind. Die Muttern
18 weisen in ihrem Gewinde die doppelte Steigung des Gewindes der Muttern 17 auf.
Entsprechend setzt sich die Spindel 16 aus Gewindeteilen unterschiedlicher Steigung
zusammen. Die Verwendung von unterschiedlichen Steigungen stellt ein Mittel dar,
eine gleichförmige Verstellung der Schlitzbreite zu erreichen. An den Wandteilen
5 und 6 sind Anschläge 19 fest angeordnet, die mit den Muttern 17 und 18 zusammenarbeiten.
An den Enden der Kolbenstangen 11 und 12 sind weitere Anschläge 20 vorgesehen, die
die beweglichen Wandteile 6 hintergreifen und dem Zusammenfahren der Wandteile 5
und 6 dienen.
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Ausgehend von der Darstellung in Fig. 1, bei der eine bestimmte Schlitzbreite
eingestellt ist, wird der hydraulische Doppelzylinder mit Endlagendämpfung (Fig.
4) derart beaufschlagt, daß die Kolbenstangen 11 und 12 aufeinander zufahren. Damit
hintergreifen die Anschläge 20 die beweglichen Wandteile 6. Die Anschläge 19 lösen
sich von der Anlage an den Muttern 17 und 18 und sämtliche Wandteile 5 u. 6 werden
relativ zu dem feststehenden Wandteil 4 so verfahren, daß eine geschlossene Wand
(Fig. 3) entsteht. Dieser erste Schritt ist in Fig. 5 in dem Weg-Zeit-
Diagramm
der Wandverstellung dargestellt. Ausgehend von einer Schlitzbreite von beispielsweise
5 mm der geöffneten Wand wird zunächst die Wand zusammengefahren, also die Schlitzweite
auf Null verstellt. Dies ist durch eine gestrichelte, stark abfallende Linienführung
dargestellt. Während die Wand 1 geschlossen ist, wird der Verlauf des Wanddruckes
mit Hilfe der Meßstellen 7 gemessen. Aus dem Ergebnis dieser Messung lassen sich
die Wandeinflüsse auf das Modell berechnen. Nach der Messung der Druckverteilung
über die Wand, die in strich-punktierter Linienführung dargestellt ist, wird durch
umgekehrte Beaufschlagung des Doppelzylinders 10 (Fig. 4) die Wand geöffnet, wobei
die Kolbenstangen 11 und 12 ausfahren und über die Federn 13 und 14 die Wandteile
5 und 6 mitnehmen. Diese Schnellverstellung erfolgt über den Antrieb 8 und ist in
Fig. 5 mit gestrichelter ansteigender Linienführung dargestellt. Gleichzeitig damit
oder anschließend, wie in Fig. 5 anhand einer doppeltgepunkteten strichpunktierten
Linie verdeutlicht, wird die Schlitzbreite mit Hilfe des Antriebes 9 fein verstellt,
d. h. das öffnungsverhältnis der geschli-tzten Wand so verändert, daß die berechneten
Wandeinflüsse auf das Modell an den charakteristischen Stellen kompensiert sind.
Damit ist eine Einstellung der Wand erreicht, die zumindest eine interferenzarme
Messung, wenn nicht gar eine interferenzfreie Messung, ermöglicht. Der erste Meßpunkt
kann gemessen werden. Dies ist durch eine gepunktete Linie in Fig. 5 dargestellt.
Anschließend wird die Wand 1 mit den beweglichen Wandteilen 5 und 6 wiederum zusammengefahren
und es erfolgt erneut die Wanddruckmessung und die Messung von Drücken an charakteristischen
Stellen des Modells während die Wand 1 geschlossen ist. In Fig. 5 sind mehrere solche
Meßpunkte hintereinander dargestellt, um zu verdeutlichen, wie eine grobe Einstellung
mit Hilfe des Antriebes 8 und einer Feineinstellung mit Hilfe des Antriebes 9 geschickt
kombiniert werden können.
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Es ist ohne weiteres möglich, den Schrittmotor 15 schon während der
Zeit zu betätigen, während die Kolbenstangen 11 und 12 auseinanderfahren. Die Muttern
17 und 18 stellen sich dann schon während dieser Zeit auf eine neue Lage ein, so
daß mit dem Ausfahren der Kolbenstangen 11 und 12 die neue Einstellung für den folgenden
Meßpunkt erreicht wird. Damit ist es möglich, sehr
schnell hintereinander
eine Messung aus einer Vielzahl von Meßpunkten durchzuführen.
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B e z u g s z e i c h e n l i~s t e -1 = Wand 2 = Pfeil 3 = Schlitz
4 = Wandteil 5 = beweglicher Wandteil 6 = beweglicher Wandteil 7 = Meßstelle 8 =
Antrieb 9 = Antrieb 10 = Doppelzylinder 11 = Kolbenstange 12 = Kolbenstange 13 =
Feder 14 = Feder 15 = Schrittmotor 16 = Spindel 17 = Mutter 18 = Mutter 19 = Anschlag
20 = Anschlag