DE9218804U1 - Windtunnel - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
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Description
Windkanal
Die Erfindung betrifft einen Windkanal zum Testen von
Objekten im subsonischen, transsonischen und supersonischen
Geschwindigkeitsbereich.
Aerodynamische Simulation in Windkanälen wird normalerweise durch die sogenannte "Wandinterferenz" gestört.
Diese ergibt sich aus der Tatsache, daß im Windkanal, im Gegensatz zu einem Flugzeug in freier Atmosphäre
(oder einem beliebigen Fahrzeug in freier Umgebung), die Strömung von Wänden umgeben ist. Infolge der
Präsenz solcher Windkanalwände kann entweder die gewünschte Strömungsmachzahl (Verhältnis von Geschwindigkeit
zur Schallgeschwindigkeit) nicht erreicht werden und/oder das Strömungsfeld um das Testobjekt wird in
negativer Weise beeinflußt, d.h. die Qualität der Simulation wird verringert.
Die Reduzierung derartiger durch die Windkanalwände verursachter Störungen und, wenn möglich, ihre theoretische
Beschreibung und Berechnung gehört zu den Hauptaufgaben der Aerodynamiker. Zahlreiche Lösungsansätze
sind gefunden und getestet worden, ohne jedoch bisher den Anforderungen der Windkanalspezialisten gerecht
werden zu können.
Telefon: (O2Q1)131O41
Telex: 888 2307 dopa d J J · · ·· ·|*. .**. .**. ! Konten /Accounts :
Telefax: (0221)134297 ··· >·* j ·**..**. i ! !·!. SaI, Oppenheim jr, &Cie,, Köln (BLZ 37&Ogr;3&Ogr;2&Ogr;&Ogr;) Kto. Nr. 10760
Zur Reduzierung der Wandeinflüsse oder zur Ermöglichung
der Berechenbarkeit dieser Einflüsse sind verschiedene Ansätze bekannt. Eine Lösung besteht darin, die Wände
im Bereich der Meßstrecke des Windkanals porös zu machen, die Wände zu perforieren oder sie mit längslaufenden
Schlitzen verschiedener Formen zu versehen. Alle drei Varianten bewirken, daß Teile des Haupt-Luftmassenstromes
in eine Art Hohlraum um den Testbereich ausweichen können. Solche "offenen" Systeme reduzieren
die Wandstörungen beträchtlich, jedoch hat sich gezeigt, daß dabei Störgeräusche erzeugt werden,
welche die Qualität der Hauptströmung verringern. Erhebliche Schwierigkeiten ergeben sich auch hinsichtlich
der Aufstellung von Randbedingungen für eine Berechnung
der Restkorrekturen.
Eine weitere praktizierte Lösung ist, die Wände eines Windkanals insgesamt flexibel zu gestalten und sie der
jeweiligen aerodynamischen Situation anzupassen. Solche Wände werden "adaptive Wände" genannt. Bei einer rechteckigen
Meßstrecke ist es relativ einfach, zwei einander gegenüberliegende Wände zur Anpassung an das Testobjekt
zu deformieren. Zwar würde hierdurch die Erzielung der richtigen Mach-Zahl ermöglicht, und es können
auch Störungen der Hauptströmung korrigiert werden, jedoch ist es nicht möglich, die verbleibenden Spannweiteneffekte
zu verringern, die an den Flügeln von Auftriebsmodellen auftreten. Die gleichzeitige Adaption
durch Deformation von vier Wänden läßt sich technisch in der Praxis kaum realisieren. Darüberhinaus erfordert
die Verwendung adaptiver Wände auch eine sehr hohe Positioniergenauigkeit dieser Wände bei hohen subsonischen
Mach-Zahlen) die ihren Einsatz bei großen Kanälen, insbesondere unter variablen Temperaturbedingun-
gen, aufgrund mechanischer Komplexität erheblich erschweren. Die Verwendung einer Kombination flexibler
oktogonaler Wände, deren Grenzflächen aus Gleitplatten bestehen, führt zwar zu einer deutlichen Reduzierung
der Wandinterferenzen, jedoch stehen massive mechanische Schwierigkeiten diesem Vorteil gegenüber. Darüberhinaus
muß ihre Einsatzfähigkeit im Überschallgebiet
erst noch nachgewiesen werden.
Aus der Zeitschrift "Flugwiss. Weltraumforschung 6 (1982)", Heft 6, S. 398-408 ist ein transsonischer'
Windkanal bekannt, dessen Wände längslaufende Schlitze aufweisen. Zur Verringerung der Wandinterferenzen sind
die Schlitze auf den Innenseiten der Wände mit dünnen Aluminiumstreifen überklebt, wobei ein schmaler Spalt
von 1,75 mm Breite offenbleibt. Hierbei sind individuelle Anpassungen an das Testmodell nicht möglich.
Außerden sind die dünnen Aluminiumstreifen nicht hinreichend formstabil.
Aus DE 35 24 784 C2 ist ein transsonischer Windkanal mit perforierten Wänden bekannt, bei dem hinter den
Wänden Platten angeordnet sind, deren Abstand zu den Wänden verändert werden kann, um durch adaptive Einstellungen
der Platten die Wandinterferenzen zu minimieren .
Die beschriebenen Konzepte haben sämtlich den Nachteil, daß sie umfangreichere Änderungen an den Windkanalwänden
erfordern und somit die Kanäle nicht oder nur mit Schwierigkeiten nachgerüstet werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Windkanal zu schaffen, bei dem die Strömungsbedingungen an
den Wänden der Meßstrecke in einer Weise beeinflußt
-A-
werden, daß im zentralen Bereich der Meßstrecke eine
aerodynamische Situation geschaffen wird, die den Verhältnissen unter Freiflugbedingungen (d.h. ohne begrenzende
Wände) weitestgehend identisch ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Anstelle der Bewegung oder Verformung der gesamten Wände ist bei der Erfindung nur eine geringe Zahl flexibler
Platten vorhanden, von denen jede den Boden ei- "
ner Rinne bildet, die parallel zur Meßstrecke des Windkanals verläuft. Diese Rinnen haben feste Seitenwände,
so daß die Grenzbedingungen für Strömungsberechnungen genau definiert und bekannt sind. Im übrigen ist die
Windkanal-Meßstrecke bezüglich der Anzahl der Rinnen in gleicher Weise ausgebildet wie eine herkömmliche Meßstrecke
mit geschlitzten Wänden. Die flexiblen Platten sind innerhalb der Kanalwände verformbar bzw. bewegbar.
Der Verformungs- bzw. Bewegungsweg beträgt im Prinzip nur wenige Prozent der Breite bzw. Höhe der Meßstrecke,
hängt jedoch im einzelnen von der Mach-Zahl und der Größe und Form des Modells ab. Die Rinnen müssen breit
genug sein und ihre Anzahl muß hinreichend groß sein, um den erforderlichen Effekt zu erreichen. Typische
Werte sind 3-6 Rinnen pro Wand, wobei die gesamte Öffnungsfläche 3%, vorzugsweise 5%, der Wandfläche übersteigt.
In speziellen Situationen kann hiervon abgewichen werden, sofern das Verhältnis von Tiefe zu
Breite der Rinnen nicht zu groß wird.
Für eine vollständige Kompensation der dreidimensionalen
Wandeffekte sollten alle vier Wände des Windkanals mit Rinnen mit verstellbarem Boden oder Einlageplatte
ausgebildet sein. Die Rinnen haben vorzugsweise recht-'
eckigen Querschnitt, um zwischen den parallelen Seiten eine ungehinderte Bewegung der Einlageplatten zu gewährleisten
.
Die flexiblen Boden/Einlageplatten der Rinnen können durch Linearantriebe und Nocken o.dgl. bewegt werden.
Die zu optimierende Anzahl der Angriffspunkte für die
Verstellelemente an jeder Platte liegt zwischen 1 und etwas mehr als 10. Die Positioniergenauigkeit steht im
umgekehrten Verhältnis zu der Öffnungsfläche in den Wänden; sie ist also viel leichter zu erreichen als bei
ganzen Wänden.
Die optimale Verbiegung der flexiblen Platten kann empirisch ermittelt oder nach speziellen Berechnungsmethoden
errechnet werden. Ein einfacher Weg zur Erzielung eines guten Ergebnisses besteht darin, das sogenannte
Flächengesetz des zu testenden Modells zu benutzen, um die aerodynamische Kanalverblockung zu kompensieren.
Zusätzlich können Daten benutzt werden, die aus einer geeigneten Druckdifferenz oder durch den Auftrieb
des Modells erhalten werden, um die Rinnen zur Kompensation der durch diesen Auftrieb erzeugten Wandinterferenzen
einzustellen. Restkorrekturen können dann
durch geeignete Rechenprogramme ermittelt werden, wie sie auch für den Fall geschlossener Meßstreckenwände
benutzt werden.
Eine aufwendigere Methode des Positionsabgleichs der flexiblen Platten besteht darin, eines der Wandinterferenz-Rechenprogramme
in einem Optimierungsprozeß zu benutzen, der auf der Minimisierung der Resteffekte bei
einer um das Modell herum angeordneten Anzähl von Kontrollpunkten beruht.
- 6 Die Erfindung liefert die folgenden Vorteile:
vollständige dreidimensionale Beseitigung der Wandinterferenzen bei subsonischen Mach-Zahlen für
jede Art von Modell und jede Art von Meßstreckenkonfiguration/
Möglichkeit der Berechnung der Restkorrekturen, falls erforderlich, mit Hilfe existierender mathematischer
Modelle,
hohes Maß an Einstellgenauigkeit und Wiederholbarkeit der Positionierung,
geringer Energieaufwand durch geringe Energieverluste,
Reduzierung der aerodynamischen Geräuscherzeugung,
einfache, schrittweise und reversible Umrüstung zahlreicher existierender Windkanäle mit unterschiedlichen
Meßstreckengeometrxen,
geringe Kosten der Um- oder Nachrüstung der Windkanal-Meßstrecken im Vergleich zu anderen bereits
bekannten Konzepten (z.B. adaptive Wände),
Fenster oder ähnliche Wandeinbauten im Bereich der Meßstrecke können erhalten bleiben,
während der Testläufe ist ein unmittelbarer aerodynamischer Vergleich mit festen Meßstreckenwänden
zwecks Referenz möglich, indem die Rinnentiefe auf Null reduziert wird, ' .
gute Überschal!bedingungen können erzielt werden,
wenn der Windkanal mit einer flexiblen Düse ausgerüstet ist (jedoch nicht in unmittelbarer Nähe von
Mach 1, wegen der Stoßreflektionen am Modell).
Die Rinnen haben nicht die Aufgabe der Wirbelerzeugung, sondern sie bewirken eine quasi reibungsfreie Strömung,
wodurch eine Vereinfachung der theoretischen Ansätze erzielt wird. Hierzu wird zweckmäßigerweise die Rinnenkontur
so eingestellt, daß sich ihr Boden vom Eintrittsende her kontinuierlich und stetig absenkt. Der Radius ,
der Kanten, den die Rinnen mit der jeweiligen Meßstreckenwand bilden, erhöht sich von etwa 0 am Eintrittsende
bis auf seinen Maximalwert, der etwa geringfügig stromauf des Testobjekts erreicht wird. Somit
wirkt man der Gefahr einer Strömungsablösung entgegen. Eine weitere Verbesserung ist noch erzielbar, wenn die
Wirbelbildung durch Grenzschichtabsaugung reduziert wird, beispielsweise, indem die flexiblen Platten eine
geringfügige Porosität erhalten und hinter ihnen ein Unterdruck erzeugt wird. Bei konventionellen, geschlitzten
Meßstrecken-Wänden wird der Unterdruck z.B. dadurch erzeugt, daß stromab der Meßstrecke angeordnete
Klappen entsprechend geöffnet werden, um die sogenannte "Plenum-Absaugung" hervorzurufen. Eine derartige Porosität
erzeugt, verglichen mit der Verformung der Platten, Strömungsstörungen zweiter Ordnung.
Die Erfindung ist- bei subsonischen, insbesondere aber bei transsonischen Windkanälen anwendbar, die im Bereich
der Schallgeschwindigkeit arbeiten, aber auch bei Überschall-Windkanälen. Die durch die Erfindung bewirkte
Reduzierung der Wandeffekte auf die Strömung in der Meßstrecke wirkt sich auch bei Kryo-Kanälen aus, in
denen die Gasströmung niedrige Temperaturen von z.B. -1000C bis -2000C hat.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung der Meßstrecke eines Windkanals,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Rinne und des dahinter befindlichen Kanals in einer Meßstreckenwand
eines Windkanals,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von
Fig. 2 und
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Rinnenrandes mit sich in Strömungsrichtung vergrößerndem
Kantenradius.
Der in Fig. 1 dargestellte Meßstreckenbereich eines Windkanals 10 ist durch vier Wände begrenzt, nämlich
eine Bodenwand 11, eine Oberwand 12 und zwei Seitenwände 13 und 14. Die Wände 11 bis 14 sind bei dem vorliegenden
Ausführungsbexspxel ebene Wände, die einen rechteckigen Querschnitt einschließen. In dem Windkanal
10 wird das zu testende Modell 15, z.B. ein Flugzeug— modell, mit Abstand von den Wänden fixiert. Die hierzu
benötigte Haltevorrichtung ist nicht dargestellt. Die Windrichtung ist durch den Pfeil 17 bezeichnet.
Zur Verringerung der Effekte, die die Wände des Windkanals auf die Strömungsverhältnisse ausüben, sind in
den Wänden 11 bis 14 längslaufende Schlitze vorgesehen, die sich über die gesamte Länge der Meßstrecke erstrecken
und eine Breite von etwa 2 bis 10 cm im Fall
einer Meßstreckenbreite von etwa 2,4 m haben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispxel sind in jeder Wand
drei Schlitze 18 angeordnet.
Hinter jedem Schlitz 18 befindet sich eine U-förmige Rinne 19 mit zwei geschlossenen starren Seitenwänden
20, die durch einen starren Rinnengrund 21 verbunden sind und von den Schlitzrändern nach hinten abgehen.
In jeder der Rinnen 19 ist ein längslaufender flexibler
Boden 22 angeordnet, der über dem Rinnengrund 21 ver- >■
läuft und sich von einer Seitenwand 20 bis zur gegenüberliegenden Seitenwand erstreckt und somit die Rinnenbreite
ausfüllt. Der Boden 22 besteht aus einem Streifen aus Blech, Kunststoff oder einem anderen flexiblen
Material. Der Boden 22 ist in der Rinne 19 derart angeordnet, daß sein Abstand vom Rinnengrund 21 örtlich
verändert werden kann, so daß dieser Abstand in Längsrichtung variiert.
Fig. 3 zeigt eine Reihe von linearen Stellvorrichtungen 23, die jeweils am Rinnengrund 21 abgestützt sind und
an der Außenseite des Bodens 22 angreifen. Jede der Stellvorrichtungen 23 kann in eine andere Position eingestellt
werden, um den Abstand des Bodens 22 vom Rinnengrund 21 zu variieren. Auf diese Weise kann durch
entsprechende Einstellung der Stellvorrichtungen 23 ein gewünschter Verlauf des Bodens 22 im Inneren der Rinne
19 realisiert werden. Wenn die Stellvorrichtungen 23 vollständig ausgefahren sind, liegt der Boden 22 bündig
mit der betreffenden Wand der Windkanalmeßstrecke, so
daß eine ebene Wandfläche gebildet wird.
- 10 -
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 besteht der Boden 22 aus einer Platte aus porösem oder perforiertem
Material. Im Inneren der Rinne 19 befindet sich eine Saugvorrichtung 24, die Gas aus der Rinne absaugt. Da
die Rinne an ihren beiden stirnseitigen Enden geschlossen ist, entsteht ein Sog durch den porösen Boden
22 hindurch. Dadurch wird die an der Oberfläche des Bodens 22 entstehende Grenzschicht abgesaugt.
In Fig. 4 ist die Kante 25 eines Schlitzes dargestellt, also der Eckbereich zwischen einer Kanalwand 11 und der
angrenzenden Seitenwand 20 einer Rinne 19. Die Kante 25 ist abgerundet, wobei ihr Abrundungsradius am stromauf
liegenden Ende 26 des Testbereichs nahezu Null ist und sich in Strömungsrichtung kontinuierlich vergrößert. An
einer Stelle 27 kurz vor dem Testmodell hat der Kantenradius r seinen größten Wert von etwa 10 mm, unter Zugrundelegung
einer Breite der Meßstrecke von ca. 2,4m.
Claims (5)
1. Windkanal mit Wänden (11,12,13,14), die eine Meßstrecke umgeben und in Längsrichtung verlaufende
Schlitze (18) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß hinter den ' Schlitzen (18) seitlich geschlossene Rinnen (19) ausgebildet sind, die einen flexiblen Boden (22) enthalten, und daß Verstellmittel (23) vorgesehen sind, um die flexiblen Böden der Rinnen einzeln in variierende Formen zu bringen und festzuhalten.
daß hinter den ' Schlitzen (18) seitlich geschlossene Rinnen (19) ausgebildet sind, die einen flexiblen Boden (22) enthalten, und daß Verstellmittel (23) vorgesehen sind, um die flexiblen Böden der Rinnen einzeln in variierende Formen zu bringen und festzuhalten.
2. Windkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder (25) der Schlitze (18) in Längsrichtung
variierende Kantenradien haben, wobei der Kantenradius sich in mindestens einem Bereich der
Schlitzlänge in Strömungsrichtung vergrößert.
3. Windkanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der flexiblen Böden
(22) porös oder perforiert ist, und daß hinter diesem Boden eine Absaugung erfolgt.
4. Windkanal nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (18) mindestens
3% der Wandfläche einnehmen.
5. Windkanal nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (19) feste Seitenwände
(20) und einen festen Rinnengrund (21) aufweisen, wobei der flexible Boden (22) über dem
Rinnengrund (21) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
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Publications (1)
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DE9218804U1 true DE9218804U1 (de) | 1995-09-28 |
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DE9218804U Expired - Lifetime DE9218804U1 (de) | 1992-05-06 | 1992-05-06 | Windtunnel |
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---|---|
DE (1) | DE9218804U1 (de) |
-
1992
- 1992-05-06 DE DE9218804U patent/DE9218804U1/de not_active Expired - Lifetime
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