Windkanal

Heinz Hansen hat in der "Flugmodell und Technik [FMT]" im Juli und August 2022 einen Artikel veröffentlicht, der in einem Nachbau eines großen Originals eines Windkanals diverse Experimente wie z.B. die Vermessung eines Eppler374-Profils durchgeführt hat. Er hat mir diese Rohdaten bzgl. Geometrie des Windkanals überlassen und habe dann die Gelegenheit genutzt, die Eigenschaften dieses Windkanals mit meinem CFD-Program zu simulieren. Das grundsätzliche Problem bei Modellen der Strömungsmechanik ist, dass die exakte Lösung analytisch, also auf einem oder mehreren Blatt Papier, nicht zu ermitteln ist. Potentialtheorien und verbesserte Techniken sind und bleiben Näherungen. Deshalb benötigt man zur Bestimmung der Qualität eines Strömungsmodells Messungen aus der Realität. Dazu bietet sich auch ein Windkanal an. Ohne zu vermessendes Objekt ist das Verhalten eines Windkanals für sich bereits eine Herausforderung für Strömungsmodelle, da das Ziel eines Windkanals ist, in einer Messstrecke eine sehr homogene und möglichst turbulenzfreie Strömung herzustellen. Nur dann sind gemessene Daten an einem Objekt im Windkanal aussagekräftig.

Technische Umsetzung

Das Experiment ist so aufgesetzt, dass eine digitale Version eines Propellers am Auslass einen Sog und damit im Windkanal eine Strömung erzeugt. Dazu wird dem Propeller ein Schub zugeordnet. Der Schub wird allerdings während der Laufzeit so optimiert, dass sich im Kern der Messstrecke eine geforderte Geschwindigkeit von 30 m/s einstellt. Es ergibt sich dann ein Schub von 25,189 Kg. Der Einlass, die sog. Beruhigungsstrecke, und der Auslass des Windkanals, der sog. Diffusor, sind durch offene Randbedingungen umgesetzt. Am Einlass wird wie im Original ein Sieb verwendet, das zumindest im Original die Funktion hat, angesaugte Turbulenzen der Umgebungsluft zu minimieren. Dies erledigt hier die numerische Umsetzung der Randbedingungen. Zusätzlich liefert das Sieb einen Luftwiderstand, mit dem ich spielen könnte, wenn es notwendig wäre. Eine Eichung des Siebes wäre zwar wünschenswert, habe aber als Außenstehender keinen Zugriff auf diese Daten. Zwischen der sog. Beruhigungsstrecke und dem Diffusor befindet sich eine Düse, die das Ziel verfolgt, die eintretende Luft mit ihrer geringen Geschwindigkeit so zu fokusieren, dass die Luft bis zur Messstrecke auf den gewünschten Wert hier von 30 m/s beschleunigt wird. Dabei ist die Düse so geformt, dass die Geschwindigkeitsverteilung in der Messstrecke möglichst geringe Unterschiede quer zur Strömungsrichtung aufweist.

Mit Hilfe der zur Verfügung gestellten Daten wird ein Windkanal mit 6 m Länge erzeugt. Der Einlass hat 1,4 m Höhe und 1,0 m Breite. Der Auslass umfasst 0,64 m Höhe und Breite. Die Messstrecke selbst hat eine Höhe von 40 cm und Breite von 30 cm mit einer Länge von 90 cm. Am Ein- und Auslass ist jeweils ein 40 cm langer Puffer angebaut, der u.a. auch die Formulierung von offenen Randbedingungen erleichtert. Die äußere Hülle des Windkanals zeigt Bild Windkanal3D.

Für die Simulation wurde ein Gitter mit 639 x 511 x 383 Zellen, also insgesamt 125.060.607 Gitterpunkte bzw. -zellen, für die 9 prognostischen und eine diagnostische Variablen verwendet. Während der Laufzeit beträgt der maximale Speicherbedarf ca. 12 GByte. Über die Rechenzeiten schweige ich mich aus.