DE69208393T2

DE69208393T2 - Vorrichtung zur Simulation von durchlaufendem Grund in aerodynamischen Windkanälen

Info

Publication number: DE69208393T2
Application number: DE1992608393
Authority: DE
Inventors: Jacques Maurice Bellanger; Maurice Louis Armand Menard
Original assignee: E R E M E
Current assignee: E R E M E
Priority date: 1991-05-24
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2012-05-22
Also published as: DE69208393D1; EP0515278A1; FR2676815B1; FR2676815A1; EP0515278B1

Description

Es ist bekannt, daß die aerodynamischen Windkanäle die Aufgabe haben, die um ein sich in einem Gas forübewegendes Fahrzeug entstehende Strömung zu simulieren, wobei eine unterschiedliche Maßstabskorrekturfaktoren berücksichtigende Aquivalenz zwischen der Bewegung dieses Fahrzeugs in dem ruhenden Gas und der Bewegung dieses Gases um ein festgelegtes Objekt, welches im folgenden als "Modell" bezeichnet wird und entweder das tatsächliche Fahrzeug sein kann oder ein Modell des Fahrzeugs sein kann, angenommen wird.
Wenn es sich um Windkanäle handelt, welche für Versuche zur Simulation eines sich weit von dem Boden entfernt fortbewegenden Fahrzeugs (entweder das tatsächliche Fahrzeug oder ein Modell des Fahrzeugs) bestimmt sind, wird das zu untersuchende Modell von den Wandungen der Meßstrecke des Windkanals so weit entfernt als möglich angeordnet und es werden die Auswirkungen der sich auf diesen Wandungen ausbildenden Grenzschicht beseitigt oder wenigstens verringert.
Wenn es sich um einen Windkanal handelt, welcher für Versuche mit sich in der Nähe des Bodens fortbewegenden Modellen (Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge während Start oder Landung, Luftkissenfahrzeuge) bestimmt ist, muß das Modell zwangsläufig in der Nähe einer den Boden simulierenden Wandung der Meßstrecke angeordnet sein.
Auf diese Weise ist die Mehrzahl der klassischen Windkanäle realisiert, wie es in dem Oberbegriff von Anspruch 1 angegeben ist.
Die Aquivalenz zwischen der Realität (sich in der Nähe des Bodens in einem ruhenden Gas fortbewegendes Fahrzeug) und den Versuchsbedingungen (festgelegtes Modell in der Gasströmung in der Meßstrecke) ist also aufgrund der sich während des Versuchs auf der den Boden simulierenden Wandung ausbildenden Grenzschicht nicht mehr realisierbar, da die Grenzschicht in der Realität nicht existiert.
Um sich von den störenden Wirkungen dieser Grenzschicht zu befreien, wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
Eine dieser Lösungen, welche "Bildmodelle" genannt wird, besteht darin, in dem Zentralbereich der Meßstrecke, d.h. weit von den Wandungen entfernt, zwei Modelle anzuordnen, welche durch eine fiktive, den Boden simulierende Symmetrieebene getrennt sind.
Der Vorteil dieser Lösung kommt daher, daß sie nur geringe finanzielle Investitionen erforderlich macht; einer ihrer Hauptnachteile liegt in der Tatsache begründet, daß sich im hinteren Bereich dieses Doppelmodells Wirbel ausbilden, welche mit der Realität nichts zu tun haben, wodurch die Ergebnisse verfälscht werden, welche aus Versuchen unter Anwendung einer derartigen Lösung gewonnen werden können.
Eine weitere dieser Lösungen, "fahrender Teppich" genannt, besteht darin, mechanische Mittel vorzusehen, um die den Boden simulierende Wandung der Meßstrecke mit einer der Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Meßstrecke entsprechenden Vorbeilaufgeschwindigkeit zu bewegen.
Diese Lösung, welche in der Theorie verführerisch ist, da sie die Grenzschicht beseitigt (falls die Geschwindigkeit der Wandung gleich der Geschwindigkeit der Gasströmung in der Meßstrecke ist), stellt sehr große Realisierungsprobleme, sobald die zu simulierenden Geschwindigkeiten hoch sind und v.a. dann, wenn aus Maßstabsgründen zu Modellen mit relativ großen Abmessungen gegriffen werden muß.
Eine weitere Lösung, "Ansaugen oder Wegblasen" genannt, besteht darin, die sich auf der den Boden simulierenden Wandung der Meßstrecke ausbildende Grenzschicht ab- bzw. anzusaugen oder wegzublasen.
So beschreibt das Patent FR 2 633 045 einen Windkanal, bei welchem die Wandungen eine steuerbare Porosität aufweisen, durch die es möglich ist, ein Absaugen der Grenzschicht vorzunehmen.
Gleichfalls beschreibt das Patent GB 2 142 290 einen Windkanal, dessen Meßstrecke wenigstens eine Wandung umfaßt, welche mit jeweils in eine Saugkammer mündenden Grenzschichtansaugvorrichtungen versehen ist.
Dennoch führt das Absaugen oder Wegblasen der Grenzschicht zu den folgenden Problemen:
- Ein Ansaugen der Grenzschicht stromaufwärts von dem Modell verändert die Strömung bereichsweise, wobei sich die Grenzschicht jedoch stromabwärts der Saugvorrichtung aufs Neue ausbildet. Das Verfahren kann nicht angewendet werden, falls es sich um lange Modelle (Eisenbahnzüge oder Lastzüge) handelt oder es sich um ein der Wandung sehr nahes Modell (Formel 1-Fahrzeuge) handelt.
- Ein Wegblasen der Grenzschicht stromaufwärts von dem Modell führt zu einer zusätzlichen Durchflußmenge, welche die allgemeine Durchflußmenge des Windkanals vergrößert und die Abschätzung der Geschwindigkeit in dem von der unteren Verkleidung des Modells und der den Boden simulierenden Wandung gebildeten Kanal erschwert; auch hier kommt es wieder zur praktischen Unmöglichkeit des Einsatzes des Wegblasens der Grenzschicht im Falle von langen Modellen oder von Modellen, welche sehr nahe an der Wandung angeordnet werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese im vorhergehenden angeführten Nachteile zu beseitigen, indem eine neue Lösung vorgeschlagen wird, welche als "verbesserte aerodynamische Simulation" bezeichnet wird.
Erfindungsgemäß wird die den Boden darstellende Wandung der Meßstrecke von einer Aufeinanderfolge unabhängiger Zellen gebildet, welche jeweils wenigstens eine Saugöffnung und wenigstens eine entweder stromabwärts oder stromaufwärts der Saugöffnung angeordnete, durch wenigstens ein Gebläse mit den von der Saugöffnung angesaugten Gas versorgte Blasöffnung umfassen.
Vorzugsweise mündet die Saugöffnung in einen Saugbehälter und wird die Blasöffnung von einem Blasbehälter versorgt.
Gemäß einer ersten Anordnung kann ein Gebläse zwischen jedem Saugbehälter und dem entsprechenden, unmittelbar stromabwärtigen Blasbehälter vorgesehen werden, wobei dann Steuerungsmittel jedem Gebläse zuordenbar sind, welche auf diese Weise die angesaugte Menge und die geblasene Menge in jeder Zelle steuern.
Gemäß einer weiteren Anordnung kann ein einziges Gebläse vorgesehen sein, dessen Einlaß über eine Gruppe von Leitungen und von Ventilen mit dem Saugbehälter verbunden ist und dessen Förderseite über eine Gruppe von Leitungen und von Ventilen mit dem Blasbehälter verbunden ist, wobei dann Steuerungsmittel jedem Ventil zuordenbar sind, welche auf diese Weise die in jede Zelle angesaugte und geblasene Menge steuern.
Was die Saugöffnungen und die Blasöffnungen betrifft, so sind diese vorteilhafterweise in Form von sich transversal erstreckenden Schlitzen ausgebildet, welche für den Saugschlitz nach stromaufwärts um einen Winkel zwischen 15º und 60º (vorzugsweise in der Größenordnung von 38º) geneigt sind, und für den Blasschlitz nach stromabwärts um einen Winkel zwischen 0º und 90º (vorzugsweise in der Größenordnung von 45º) geneigt sind.
Durch die Erfindung wird dem Gas die Energie bereichsweise wiedergegeben, welche es durch die viskose Reibung verloren hat, welche sich in der Nähe der Wandung in jeder Zone ausbildet, welche die Saugöffnung von der Blasöffnung trennt.
Es kann somit durch eine Aufeinanderfolge von Zellen (Ansaugöffnung - Blasöffnung) eine Wandung realisiert werden, welche die für die Längsabmessung des Modells erforderliche Länge aufweist, wobei sich entlang dieser Länge praktisch keine Grenzschicht entwickelt und wobei die Strömung um das Modell von Störungen frei ist, welche durch die im vorhergehenden angeführten, bekannten Lösungen des Stands der Technik verursacht werden.
Im übrigen bleiben die Kosten der Realisierung eines Windkanals gemäß der Erfindung erschwinglich und erfordern Mittel, welche wesentlich kleiner sind als diejenigen der Lösung des Stands der Technik, welche als "fahrender Teppich" bekannt ist.
Abgesehen von den im vorhergehenden betrachteten Vorrichtungen umfaßt die Erfindung bestimmte weitere Vorrichtungen, welche vorzugsweise gleichzeitig verwendet werden, von denen im weiteren ausführlicher die Rede sein wird.
Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen, welche sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen und selbstverständlich keinen einschränkenden Charakter aufweisen, dienen dem Verständnis der Erfindung.
Figur 1 dieser Zeichnungen ist ein schematischer Axialschnitt der Meßstrecke eines Windkanals, welcher gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt ist.
Figur 2 ist eine Schnittdarstellung im vergrößerten Maßstab einer Zelle, welche die den Boden simulierende Wandung der Meßstrecke des Windkanals gemäß der Erfindung bildet.
Figur 3 ist die gleiche Ansicht wie die in Figur 2 gezeigte, wobei jedoch unterschiedliche Stellungen der die Saugöffnungen und die Blasöffnungen festlegenden mechanischen Elemente gezeigt sind.
Figur 4 ist eine Schnittdarstellung einer Saugöffnung in noch größerem Maßstab.
Figur 5 zeigt im gleichen Maßstab wie Figur 4 einen Schnitt durch eine Blasöffnung.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsvariante der den Boden simulierenden Wandung der Meßstrecke des Windkanals gemäß der Erfindung in den gleichen Zuständen wie in den Figuren 2 und 3 und im Teilschnitt.
Figur 7 ist schließlich ein schematischer Axialschnitt der Meßstrecke eines Windkanals, welcher gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist.
In den Figuren 1 und 7 ist lediglich die Meßstrecke 1 eines Windkanals dargestellt, dessen weitere Elemente ausreichend bekannt sind, wodurch es nicht notwendig ist, diese im Detail zu beschreiben.
Diese Meßstrecke 1 umfaßt eine den Boden simulierende Wandung 2, in deren Nähe das Versuchsmodell 3 angeordnet ist, wobei dieses Modell 3 in einer geeigneten Entfernung von dieser Wandung 2 gehalten werden kann oder auf dieser Wandung 2 aufliegen kann.
Dieses Modell 3 sei das Modell eines Kraftfahrzeugs, dessen Räder auf der den Boden simulierenden Wandung 2 ruhen; falls es sich um ein Versuchsmodell eines Luftfahrzeugs in der Start- oder Landephase oder um ein Luftkissenfahrzeug handeln würde, wären Mittel dazu vorgesehen, das Modell in der für die Versuche erforderlichen Entfernung in der Nähe der den Boden simulierenden Wandung zu halten.
Der Pfeil 4 zeigt die Gasströmung in der Meßstrecke 1 an.
Erfindungsgemäß wird die den Boden simulierende Wandung 2 der Meßstrecke 1 von einer Aufeinanderfolge von Zellen 5 gebildet, welche jeweils wenigstens eine Saugöffnung 6 und wenigstens eine stromabwärts der Saugöffnung 6 angeordnete, durch wenigstens ein Gebläse 8 mit dem von der Saugöffnung 6 angesaugten Gas versorgte Blasöffnung 7 umfassen.
Vorzugsweise mündet die Saugöffnung 6 in einen Saugbehälter 9 und die Blasöffnung 7 wird von einem Blasbehälter 10 versorgt.
Es kann deshalb zum Steuern der angesaugten Menge bzw. Durchflußmenge und der geblasenen Menge vorgesehen werden:
- wie in Figur 1 gezeigt, ein Gebläse 8 zwischen jedem Saugbehälter 9 und dem entsprechenden, unmittelbar stromabwärtigen Blasbehälter 10, wobei dann Steuerungsmittel (nicht dargestellt) jedem Gebläse 8 zuordenbar sind, welche auf diese Weise die angesaugte Menge und die geblasene Menge in jeder Zelle 5 steuern;
- wie in Figur 7 gezeigt, ein einziges Gebläse 8, dessen Einlaß über eine Gruppe von Leitungen 11 und von Ventilen 12 mit den Saugbehältern 9 verbunden ist und dessen Förderseite über eine Gruppe von Leitungen 13 und von Ventilen 14 mit den Blasbehältern 10 verbunden ist, wobei dann Steuerungsmittel (nicht dargestellt) jedem Ventil 12 und 14 zuordenbar sind, welche auf diese Weise die in jede Zelle 5 angesaugte und geblasene Menge steuern.
Was die Saugöffnungen 6 und die Blasöffnungen 7 betrifft, so sind diese vorteilhafterweise in Form von sich transversal erstreckenden Schlitzen ausgebildet sind (Fig. 4 und 5).
Die Saugschlitze 6 sind nach stromaufwärts um einen Winkel zwischen 15º und 60º und vorzugsweise in der Größenordnung von 38º geneigt.
Die Blasschlitze 7 sind nach stromabwärts um einen Winkel zwischen 0º und 90º und vorzugsweise in der Größenordnung von 45º geneigt.
Der Saugschlitz 6 ist vorzugsweise in Form eines divergierenden Kanals ausgebildet, welcher sich mit einem Winkel der Größenordnung 13º öffnet.
Der Blasschlitz 7 ist vorzugsweise in Form eines profilierten, konvergierenden Kanals ausgebildet.
Zum Steuern der Geschwindigkeit der angesaugten Strömung und der ausgeblasenen Strömung kann auf unterschiedliche Möglichkeiten zurückgegriffen werden.
Gemäß einer dieser Möglichkeiten (Fig. 2 und 3) wird vorgesehen, daß die stromaufwärtige Wandung 6a des Saugschlitzes 6 und die stromabwärtige Wandung 7b des Blasschlitzes 7 unter Betätigung eines Mechanismus, der Mechanismus 15 für den Saugschlitz 6 und der Mechanismus 16 für den Blasschlitz 7, axial (parallel zur Strömung des Gases 4) bewegbar sind.
Gemäß einer weiteren dieser Möglichkeiten (Fig. 2) wird vorgesehen, daß die stromabwärtige Wandung 6b des Saugschlitzes 6 und die stromaufwärtige Wandung 7a des Blasschlitzes 7 unter Betätigung eines Mechanismus 17 transversal (orthogonal zur Strömung des Gases 4) bewegbar sind.
Gemäß noch einer weiteren dieser Möglichkeiten (Fig. 6) wird der stromaufwärtige Abschnitt der stromabwärtigen Wandung 6b des Saugschlitzes 6 von einer beweglichen Klappe 18 gebildet und der stromabwärtige Abschnitt der stromaufwärtigen Wandung 7a des Blasschlitzes 7 von einer beweglichen Klappe 19, wobei ein Mechanismus 20 für die Betätigung der beiden beweglichen Klappen 18 und 19 vorgesehen ist.
Zum Homogenisieren der Strömung in den Saugbehältern 9 und den Blasbehältern 10 kann vorteilhafterweise eine in dem mittleren Bereich jedes Behälters (Figur 2) angeordnete permeable Wandung 21 vorgesehen sein.
Wie es sich von selbst versteht und im übrigen aus dem vorhergehenden ergibt, ist die Erfindung keineswegs auf diejenigen ihrer Anwendungs- und Ausführungsformen beschränkt, welche im speziellen ins Auge gefaßt worden sind; sie umfaßt im Gegenteil alle Varianten.

Claims

1. Aerodynamischer Windkanal, welcher für Versuche zur Simulation eines sich in der Nähe des Bodens fortbewegenden Fahrzeugs bestimmt ist, umfassend eine Meßstrekke (1), welche eine den Boden simulierende Wandung (2) aufweist, in deren Nähe ein Versuchsmodell (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Boden simulierende Wandung (2) von einer Aufeinanderfolge unabhängiger Zellen (5) gebildet ist, welche jeweils wenigstens eine Saugöffnung (6) und wenigstens eine entweder stromabwärts oder stromaufwärts der Saugöffnung (6) angeordnete, durch wenigstens ein Gebläse (8) mit dem von der Saugöffnung (6) angesaugten Gas versorgte Blasöffnung (7) umfassen.

2. Windkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugöffnung (6) in einen Saugbehälter (9) einmündet und die Blasöffnung (7) von einem Blasbehälter (10) versorgt wird.

3. Windkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gebläse (8) zwischen jedem Saugbehälter (9) und dem entsprechenden, unmittelbar stromabwärtigen Blasbehälter (10) vorgesehen ist, wobei dann Steuerungsmittel jedem Gebläse (8) zuordenbar sind, welche auf diese Weise die angesaugte Menge und die rückgestaute Menge in jeder Zelle (5) steuern.

4. Windkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Gebläse (8) vorgesehen ist, dessen Einlaß über eine Gruppe von Leitungen (11) und von Ventilen (12) mit dem Saugbehälter (9) verbunden ist und dessen Förderseite über eine Gruppe von Leitungen (13) und von Ventilen (14) mit dem Blasbehälter (10) verbunden ist, wobei dann Steuerungsmittel jedem Ventil (12) und (14) zuordenbar sind, welche auf diese Weise die in jede Zelle (5) angesaugte und geblasene Menge steuern.

5. Windkanal nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugöffnungen (6) und die Blasöffnungen (7) in Form eines sich transversal erstreckenden Schlitzes ausgebildet sind.

6. Windkanal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugschlitze (6) stromaufwärts geneigt sind und daß die Blasschlitze (7) stromabwärts geneigt sind.

7. Windkanal nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Saugschlitz (6) in Form eines divergierenden Kanals ausgebildet ist und daß der Blasschlitz (7) in Form eines konvergierenden Kanals ausgebildet ist.

8. Windkanal nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärtige Wandung (6a) des Saugschlitzes (6) und die stromabwärtige Wandung (7b) des Blasschlitzes (7) unter Betätigung von Mechanismen (15,16) axial bewegbar sind.

9. Windkanal nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtige Wandung (6b) des Saugschlitzes (6) und die stromaufwärtige Wandung (7a) des Blasschlitzes (7) unter Betätigung eines Mechanismus (17) transversal bewegbar sind.

10. Windkanal nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Abschnitt der stromabwärtigen Wandung (6b) des Ansaugschlitzes (6) von einer beweglichen Klappe (18) gebildet ist und daß der stromabwärtige Abschnitt der stromaufwärtigen Wandung (7a) des Blasschlitzes (7) von einer beweglichen Klappe (19) gebildet ist, wobei ein Mechanismus (20) für die Betätigung der beiden beweglichen Klappen (18,19) vorgesehen ist.