DE4224488A1 - Windkanal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Windkanal, insbesondere für aero-akustische Messungen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine der Hauptaufgaben der Fahrzeugentwicklung ist die ständige syste­ matische und versuchstechnische Weiterentwicklung der Produktkomponen­ ten. Hierfür sind auch entsprechende versuchstechnische Einrichtungen erforderlich, insbesondere solche, die eine realistische Simulation der Straßenfahrt sicherstellen. Es gilt, Fahrtzustände des Komplettfahr­ zeugs bei wirklichkeitsgetreuer Umströmung des Fahrzeugs optimal zu simulieren. Hierfür kommen Windkanäle zum Einsatz.

Den größten Einzelbeitrag zum Druckverlust eines für vorstehend angege­ bene Zwecke besonders geeigneten Windkanales Göttinger Bauart (ge­ schlossene Luftführung mit offener Meßstrecke in geschlossenem Meßraum) liefert der Freistrahl in der offenen Meßstrecke. Um diesen Verlust zu minimieren, sollte die Eintrittsfläche der der Meßstrecke nachgeschal­ teten Auffangöffnung an den Volumenstrom des Freistrahles nach der ent­ sprechenden Lauflänge möglichst gut angepaßt sein, und dabei etwa im Bereich A_A = 1,2 · A_D (A_A = Auffangfläche, A_D = Düsenaustrittsfläche) liegen. Viele der existierenden Aerodynamikwindkanäle arbeiten in die­ sem Parameterbereich.

Soll ein Windkanal aero-akustische Messungen ermöglichen, so müssen die Eigengeräusche weitestgehend reduziert werden. Insbesondere sollten auch die akustischen Interferenzen des Freistrahles und des Auffängers minimiert werden.

Dies ist jedoch mit den klassischen Auslegungsregeln nicht zu errei­ chen. Durch das Aufprallen der Wirbel in der Mischungszone des Strahl­ randes auf die Auffangöffnung entstehen akustische Wellen, die sich unter anderem entgegen der Strömungsrichtung ausbreiten und den Wirbel­ bildungsprozeß an der Düse steuern. So entsteht ein Rückkopplungseffekt (closed loop), der in Verbindung mit typischen (niederfrequenten) Reso­ nanz-Frequenzen des Meßraumes und/oder der Kanalröhre zur Resonanz-Ka­ tastrophe und damit zur Zerstörung der Anlage führen kann. Im bekannten Stand der Technik vermeidet man dieses Problem durch die Anbringung von Wirbelgeneratoren in der Düse oder durch Atmungsöffnungen im Bereich der Auffangöffnung. Beide Maßnahmen verstimmen zwar wirkungsvoll das Resonanzsystem, führen aber zur zusätzlichen Erzeugung von breitbandi­ gen Strömungsgeräuschen (Rauschen).

Im Stand der Technik (Akustikwindkanäle der DLR-Braunschweig und BMW-München) ist als Maßnahme zur Vermeidung derartiger Probleme unter anderem bekannt, die Auffangöffnung so groß zu dimensionieren (A_A < 2 · A_D) daß die wirbelbehaftete Mischungszone des Freistrahls komplett "geschluckt" wird, ohne dabei auf die Auffangöffnung selbst zu schla­ gen. Allerdings wirkt sich dabei der hohe Druckverlust dieser aerodyna­ misch ungünstigen Bauweise nachteilig aus. Für eine Strahllänge L von beispielsweise drei hydraulischen Düsendurchmessern (L = 3 · d_h) ergibt sich nämlich ein Druckverlustbeiwert von

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung einen Windkanal zu schaffen, der für akustische Messungen in der Meßstrecke geeignet und darüberhinaus nur mit einem äußerst geringen Druckverlust durch den Freistrahl in der offenen Meßstrecke behaftet ist.

Dies gelingt erfindungsgemäß mit einem Windkanal, der nach den Merkma­ len des Patentanspruches 1 ausgeführt ist.

Zwar ist aus der DE 38 31 458 A1 ein Windkanal bekannt geworden, bei dem ein der Erzeugung der Luftströmung dienendes Axialgebläse achsgleich zu einer Meßstrecke mit Abstand von dieser angeordnet ist, wobei sich zwischen der Meßstrecke und dem Axialgebläse ein Schalldämpfer mit besonders geformtem Außen- und Innenkörper befindet. Die Innenseite des der Meßstrecke zugewandten Bereiches des mit schalldämmenden Materia­ lien ausgekleideten Außenkörpers ist diffusorförmig ausgebildet. Der Innenkörper ist achsgleich zu dem Außenkörper angeordnet und weist eine etwa spindelförmige Gestalt auf. Dem Schalldämpfer ist in Strömungs­ richtung und beabstandet von diesem ein in etwa trichterförmig ausge­ bildeter Vorleitring zum Auffangen der Luft-Randströmung vorgeschaltet. Mit dem so ausgeführten Windkanal sollen in der Meßstrecke nicht nur aerodynamische, sondern auch akustische Messungen durchgeführt werden, die insbesondere von den Geräuschen weitgehend unbeeinflußt sind, die von dem Axialgebläse erzeugt werden. Insbesondere zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden zweiten Teilaufgabe vermag dieser Stand der Technik allerdings keinen Beitrag zu leisten.

Durch die nach der Erfindung zwischengeschaltete Engstelle mit A_E = 1,2 · A_D bis A_E = 2,0 · A_D, vorzugsweise AE ≈ 1,6 · A_D (A_E=Querschnitts­ fläche der Engstelle, A_D = Düsenaustrittsfläche) kann sich der Frei­ strahl nach nur kurzer Lauflänge innerhalb des Auffangtrichters wieder an die Wand ansaugen, so daß es zu einem erhöhten Druckrückgewinn kommt. Messungen ergaben, daß mit der erfindungsgemäßen Anordnung bei L = 3 · d_h (Strahllänge von drei hydraulischen Düsendurchmessern) der Druckverlustbeiwert auf K = 0,28 gesenkt werden konnte. Der mit Patent­ anspruch 2 beanspruchte Trichter-Öffnungswinkel von etwa 45° hat sich in Versuchen als aerodynamisch und akustisch vorteilhaft herausge­ stellt. Die Funktionalität wird durch die Maßnahme gemäß Patentanspruch 3, wonach Luftaustrittsdüse, Auffangtrichter, Engstelle und Diffusor jeweils rechteckförmig ausgestaltet sind, weiter gesteigert.

Sind Auffangtrichter, Engstelle und Diffusor darüberhinaus mit einer durchgängigen, schallschluckenden Materialschicht (z. B. offenporiger Schaum, Mineralwolle) ausgekleidet, wie dies in Patentanspruch 4 auf­ gezeigt ist, so ergibt sich eine weitere akustische Verbesserung, die den erfindungsgemäßen Kanal in besonderer Weise für entsprechende Mes­ sungen geeignet macht. Mit den Maßnahmen nach den Patentansprüchen 5 und 6 konnte in praktischen Versuchen die Geräuschentwicklung noch weiter reduziert werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles be­ schrieben und in der zugehörigen Zeichnung schematisch dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Windkanal in einer Gesamt­ ansicht und

Fig. 2 und 3 jeweils einen Ausschnitt aus dem Übergangsbereich Auffangtrichter/Engstelle.

Ein Windkanal 1, größenmäßig beispielsweise dergestalt ausgebildet, daß er für Messungen an Personenkraftfahrzeugen geeignet ist, weist im Anschluß an eine Luftaustrittsdüse 2 eine als Freistrahlmeßstrecke ausgebildete Meßstrecke 3 mit Drehscheibe 4 und entsprechendem Zubehör auf, auf der das Meßobjekt plaziert werden kann. Die Meßstrecke 3 ist relativ weiträumig durch mit reflektionsarmen Auskleidungen versehene Begrenzungswände 5 bis 8 abgeschlossen, die neben der Meßstrecke 3 noch einen Teil der Luftaustrittsdüse 2 sowie einen den Freistrahl aufneh­ menden Auffangtrichter 9 einschließen.

Dem einen Öffnungswinkel von etwa 45° aufweisenden Auffangtrichter 9 ist über eine Engstelle 10 ein bis zu einer ersten Umlenkecke 11 rei­ chender Diffusor 12 nachgeschaltet, wobei sowohl Auffangtrichter 9 als auch Diffusor 12 und ein sich daran anschließendes kurzes, zylinderför­ miges und ebenfalls bis zur Umlenkecke 11 reichendes Kanalstück 13 mit einem ausreichend bemessenen Belag 14 aus schallschluckenden Materia­ lien (z. B. offenporiger Schaum, Mineralwolle) ausgekleidet sind.

An die Umlenkecke 11 schließt sich ein bis zu einer weiteren, mit Ku­ lissenschalldämpfern 15 ausgestatteten und somit bedämpften Umlenkecke 16 reichendes weiteres Kanalstück 17 an.

Weiter stromab befindet sich die ebenfalls bedämpfte (Umhüllung 18) Gebläseeinheit (Axialgebläse 19), an die sich ein Steildiffusor 20 anschließt, der bis zu einer weiteren, ebenfalls mittels Kulissen­ schalldämpfern 15 bedämpften Umlenkecke 21 reicht.

An ein weiteres gerades Kanalstück 22 schließt sich die letzte Umlenk­ ecke 23 an, der wiederum über einen vorgeschalteten weiteren Steildif­ fusor 24 eine der Düse 2 vorgelagerte Düsenvorkammer 25 mit verschiede­ nen Einbauten wie Gleichrichter 26, Turbulenznetz 27 usw. zur Beruhi­ gung der Luftströmung folgt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils einen Ausschnitt aus dem Übergangs­ bereich Auffangtrichter 9/Engstelle 10. Dabei ragt aus der Engstelle 10 eine zur Meßstrecke 3 hin gerichtete Einlauflippe 28 bzw. 29 hervor, die ebenfalls mit einem schallschluckenden Belag 14 ausgekleidet ist, der eine gerundete Stirnkante 30 aufweist, die gemäß Fig. 2 bis zur Auffangtrichter-Stirnkante 31 reicht.

Claims (7)

1. Windkanal, insbesondere für aero-akustische Messun­ gen, bei dem in Luftströmungsrichtung nacheinander angeordnet sind:

• - eine den Strömungsquerschnitt reduzierende Luftaus­ trittsdüse mit einer Düsenaustrittsfläche A_D,
• - eine Meßstrecke,
• - ein Luftaufnahmeelement mit einer Auffangfläche A_A,
• - wobei A_A < 2 · A_D ist,

gekennzeichnet durch eine Engstelle (10) im Über­ gangsbereich zwischen dem als Auffangtrichter (9) ausgeführten Luftaufnahmeelement und einem nachge­ schalteten Diffusor (12), wobei gilt A_E = 1,2 · A_D bis A_E = 2,0 · A_D, vorzugsweise A_E = 1,6 · A_D (A_E = Querschnittsfläche der Engstelle 10).

2. Windkanal nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Auffangtrichter-Öffnungswinkel im Bereich von 45°.

3. Windkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Luftaustrittsdüse (2), Auffangtrichter (9), Eng­ stelle (10) und Diffusor (12) rechteckförmig ausge­ bildet sind.

4. Windkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Auffangtrichter (9), Engstelle (10) und Diffusor (12) mit einem durchgängigen, schallschluckenden Be­ lag (14) ausgekleidet sind.

5. Windkanal nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Bereich der Engstelle (10) hervorstehende, zur Meßstrecke (3) hin gerichtete Einlauflippe (28, 29).

6. Windkanal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlauflippe (28, 29) einen schallschlucken­ den Belag (14) mit gerundeter Stirnkante (30) auf­ weist.