Strömung

Bild WKSP_zx zeigt den vertikalen Schnitt  und das Bild WKSP_xy den horizontalen Schnitt längs der Strömungsrichtung. Die Farbflächen zeigen die skalare Geschwindigkeit, d.h. deren absoluten Wert mit einem Farbabstand von 1 m/s, an. Zuätzlich zeigen die Isolinien die Linien gleichen Drucks im Abstand von 40 Pascal an. Das Bild WKP_xz zeigt nur die Druckverteilung im Windkanal mit Farbabstand 40 Pascal. Die Bilder WKVSP_xy und WKVSP_xz zeigen die skalare Geschwindigkeit in Farbe, den Druck als Isolinien und Trajektorien für die Strömung mit Fokus auf die Düse und die Messstrecke. Während am Ein- und Ausgang des Windkanals die Druckanomalie verschwindet, fällt der Druck in der Düse ab, steigt dann leicht an bis die digitale Umsetzung des Propellerantriebes zu einem abrupten Druckanstieg führt.  Der geringste Druck findet sich am Ende der Messtrecke mit knapp -700 Pascal.  Die Geschwindigkeiten nehmen in der Düse stetig zu bis sie vor der Messstrecke, markiert durch ein Raster, einen kostanten Wert erreichen. In der Messstrecke selbst ist die Geschwindigkeit nahezu konstant. Ausnahme sind die Grenzschichten entlang der Innenwände des Windkanals. Die stetige Verdickung der Grenzschicht bewirkt, dass bis zum Ende der Messstrecke die Geschwindigkeiten doch zunehmen. Nur so kann Massenerhaltung gewährleistet werden. Im Auslauf fächert die Strömung auf.

Heinz Hansen hat mir Simulationen seines Windkanals mit 2 Varianten von CFD-Modellen zur Verfügung gestellt. Dabei stellt sich heraus, dass die dort simulierten Druckunterschiede je nach Experiment um etwa 650 Pascal leicht schwanken. Ich erhalte knapp 700 Pascal. Dies führe ich zurück auf die aufwendigere Modellierung der Turbulenz. Turbulenz ist für die Strömung ein zusätzliches Hindernis und benötigt deshalb einen etwas größeren Sog, um die geforderten 30 m/s in der Messstrecke zu erhalten. Auf der anderen Seite sind die Unsicherheiten bei der Modellierung von Turbulenz so groß, dass eigentlich nur Messungen im Windkanal ohne zu vermessendes Objekt meine simulierten Geschwindigkeitsverteilungen verifizieren können.

Der Effekt der Zunahme der Geschwindigkeit im Verlauf der Messstrecke ist aus meiner Sicht auch deshalb zu erwarten, weil die Verhältnisse in dieser Mineaturversion des großen Vorbilds bedeutet, dass die Nichtlinearität in der Enstehung von Turbulenz im größen Vorbild sich anteilig nicht so bemerkbar macht. Auch wirkt sich die unterschiedliche Konvergenz des Impulstransports zwischen Original und Mineaturversion wegen der Nichtlinearitäten aus.