DE4139359A1

DE4139359A1 - Windkanal mit freistrahlmessstrecke zur simulation von windrichtungsschwankungen

Info

Publication number: DE4139359A1
Application number: DE4139359A
Authority: DE
Inventors: Carl Prof Dr Ing Kramer; Bernd Dipl Ing Konrath
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1993-06-03
Also published as: WO1993011417A1; DE59203135D1; US5435175A; EP0614524A1; EP0614524B1; JPH07501400A; JP3143831B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke, in welcher die Strömungsrichtung während des Betriebes des Windkanals geschwenkt werden kann. Nach den Lehren der Erfindung ist dies bei blasendem Wind möglich, ohne wesentli che Einbußen der aerodynamischen Qualität der Strömung in Kauf nehmen zu müssen.

Ein solcher Windkanal ist überall da von Vorteil, wo rasche Änderungen der Strömungsrichtung, wie sie z. B. im natürlichen Wind auftreten, simuliert werden sollen, oder wenn es darum geht, die aerodyamischen Eigenschaften und die Reaktion eines umströmten Körpers in einem Strömungsfeld mit sich rasch ändernder Strömungsrichtung zu studieren. Von besonderer Bedeutung ist dies im Bereich der Fahrzeugaerodynamik zur Untersuchung von Seitenwindeffekten. Zur Zeit ist es nur möglich, Fahrzeuge auf ihre Seitenwindeignung dadurch zu untersuchen, daß das auf einer drehbaren Plattform montierte Fahrzeug mit seiner Längsachse gegen die Strömungsrichtung verdreht wird. Die unter diesen Bedingungen gemessenen aerody namischen Daten, wie z. B. Luftkräfte und Luftkraftmomente, gelten aber nur für den Fall der stationären Strömung, der beim praktischen Fahrbetrieb wesentlich weniger bedeutend ist als der nicht-stationäre Vorgang, welcher sich abspielt, wenn ein Fahrzeug in eine Seitenwindböe eintaucht. Diesen Effekt versucht man durch Seitenwindanlagen zu erfassen, an denen Fahrzeuge mit einer bestimmten Geschwindigkeit vorbeifahren. Solche Untersuchungen lassen sich aber bei einer Fahrzeugent wicklung nur in bereits sehr weit fortgeschrittenen Entwick lungsstadien machen, erfordern einen hohen Aufwand und sind zudem noch, da sie auf einer Teststrecke stattfinden müssen, stark witterungsabhängig und nur unter besonderen meteorologi schen Bedingungen durchführbar. Außerdem lassen sich mit einer Seitenwindversuchsanlage nur Effekte erfassen, welche die Führung des Fahrzeuges betreffen und nicht etwa andere für die Fahrzeugentwicklung wesentliche Einflüsse, wie z. B. die Verän derung des Strömungsgeräuschs bei rascher Änderung der An strömrichtung. Gerade bei komfortablen Fahrzeugen, die im Innenraum nur einen geringen Lärmpegel aufweisen, ist die Veränderung des Umströmungsgeräuschs bei wechselnder effekti ver Windrichtung sehr störend. Diese Veränderungen lassen sich in üblichen aero-akustischen Windkanälen für die Fahrzeugaero dynamik, in welchen die Anblasrichtung lediglich durch Drehen des auf einer Drehplattform aufgestellten Fahrzeugs verändert werden kann, nicht erfaßt. Man ist daher zur Lösung dieses Problems auf aufwendige Fahrversuche angewiesen. Diese Fahr versuche können aber erst stattfinden, wenn bereits ein Proto typ vorliegt, also wesentliche Veränderungen in der Entwick lung kaum noch möglich sind. Ein solcher Windkanal mit hin reichenden akustischen Eigenschaften, also einem ausreichend niedrigen Lärmpegel, und zugleich im Betrieb veränderlicher Anströmrichtung kann auch bei der Qualitätskontrolle hochwer tiger Automobile eingesetzt werden. Man kann nämlich im Rahmen der Endkontrolle die Innengeräusche bei entsprechender Windge schwindigkeit und Schwenken der Düse kontrollieren, um Ursa chen für störende Strömungsgeräusche, wie z. B. nicht voll ständig verschlossene Öffnungen, fehlerhaft eingestellte Tü ren, usw. zu erkennen. Auf diese Weise ließen sich erhebliche Werkstatt-Service- und Garantieleistungen einsparen.

Daher besteht die Aufgabe, einen Windkanal zu schaffen, mit den die Effekte der veränderlichen Schräganströmung ausrei chend realitätsgetreu simuliert werden können.

Eine solche Einrichtung ist durch die vorliegende Erfindung eines Windkanals mit Freistrahlmeßstrecke und mit einer zur Erzeugung einer in ihrer Richtung veränderlichen Strömung bei laufendem Windkanal schwenkbaren Windkanaldüse gegeben. Dieser Windkanal kann zusätzlich mit akustisch wirksamen Einrichtun gen, die in die Strömungsführung integriert sind, ausgestattet werden, um den Schalldruckpegel so weit zu senken, daß auch die Wahrnehmung und meßtechnische Erfassung der von der Anström richtung abhängigen Strömungsgeräusche möglich ist. Die Patentansprüche beschreiben die vorteilhafte und zweckmäßige Ausführungsform.

Ein typisches Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen die Fig. 1 und 2 verschiedene Ansich ten und Schnitte des Windkanals, die Fig. 3 eine Dreiseiten- Ansicht der Windkanaldüse und die Fig. 4 bis 9 Geschwindig keitsprofile, gemessen im Strahl hinter dem Düsenaustritts querschnitt, aus denen die Gleichmäßigkeit und hohe Qualität der Strahlströmung bei unverschwenkter und bei verschwenkter Düse hervorgeht.

Zunächst wird anhand der Fig. 1 und 2 der Aufbau des Wind kanals beschrieben. Der Windkanal ist als sogenannter Göttin ger Windkanal mit geschlossener Strömungsrückführung ausge führt. Aus der Düse (1) tritt der Windkanalstrahl, gekenn zeichnet durch den Strömungspfeil (2), aus und umströmt das Prüfobjekt, im Fall der Fig. 1 und 2 ein Fahrzeug oder ein Fahrzeugmodell (3). Dieses Fahrzeug steht auf den in Fig. 1 nur angedeuteten Rollen eines Leistungsprüfstandes, der in den Windkanal integriert sein kann, um auch Versuche im Fahrbe trieb durchführen zu können. Der Windkanalstrahl wird von dem Meßraum (4) umgeben. Die Innenwand des Meßraums kann zur Erzielung der für akustische Untersuchungen notwendigen gerin gen Reflexion von Schallwellen eine übliche akustische Aus kleidung, z. B. in Form von Akustik-Keilen (5) erhalten. An der der Windkanaldüse gegenüberliegenden Seite des Meßraums tritt der Windkanalstrahl in den Auffänger (6) ein, an den sich ein Diffusor (7) anschließt. Der Auffänger hat eine ge rundete oder entsprechend abgekantete Einlaufrundung (8) und kann in üblicher Weise justiert bzw. verstellt werden, um zu erreichen, daß der statische Druck im Windkanalstrahl hinrei chend genau dem statischen Druck in der Umgebung entspricht und sich insbesondere in Strömungsrichtung nicht in unzulässi ger Weise verändert.

Stromab vom Diffusor (7) ist in dem Verbindungsschenkel zwi schen Diffusor und den im vorliegenden Fall oberhalb der Meßstrecke angeordnetem Ventilator (9) eine zugleich als Absorptions- und Umlenkschalldämpfer wirkende Umlenkbeschaufe lung eingebaut. Der Ventilator (9) ist ein Axialventilator, dessen Antriebsmotor in der Ventilatornabe untergebracht ist. An diesen Ventilator schließt sich ein Kegeldiffusor (10) an. Hinter diesem Kegeldiffusor folgt eine Querschnittsverformung (11) von rundem auf rechteckigen Querschnitt, die zugleich auch Diffusoreigenschaften haben kann, also den Strömungsquer schnitt in Strömungsrichtung noch weiter vergrößert. Am Ende dieses Diffusors ist ein Kühler (12) eingebaut. Dieser Kühler ist erforderlich, um die mit dem Ventilator in den Windkanal eingebrachte Energie, die sich in Wärme umwandelt, wieder abzuführen. Dies ist wichtig, da durch die Akustik-Ausstattung des Windkanals, welche zugleich isolierend wirkt, die Wärmeab gabe nach außen noch mehr als bei üblichen Windkanälen er schwert wird. In der Querverbindung zwischen den Strömungska nal des Ventilators und dem Strömungskanal mit Düse und Meß strecke sind in ähnlicher Weise wie in den Querschenkel der Strömungsführung zwischen Auffänger und Ventilator zugleich zur Strömungsumlenkung und -verteilung dienende kulissenartige Schalldämpferelemente eingebaut (13). Stromab hinter dieser die Strömung insgesamt um 180° umlenkenden Einrichtung (13) befindet sich ein Schutzsieb (14), dahinter ein Gleichrichter (15) und erforderlichenfalls noch ein oder mehrere Turbulenz siebe (16). Die Düse, insgesamt mit dem Bezugszeichen (1) gekennzeichnet, besteht aus einem feststehenden Teil (1a) und einem um die vertikale Achse (17) schwenkbaren Teil (1b). Sowohl der feststehende als auch der schwenkbare Teil sind mit Einlaufrundungen (18) bzw. (19) ausgestattet. In vorliegenden Fall weist die Düse einen ebenen horizontalen Boden (20) auf, der in der gleichen Horizontalebene liegt wie der Meßkammerbo den (21), auf dem das Modell (3) positioniert ist. Die Düse selber ist von einer Vorkammer (22) umgeben. Wird nun das schwenkbare Düsenvorderteil (1b) gedreht, so kann innerhalb dieser Düsenvorkammer (22) das feststehende Düsenvorderteil (1a) umströmt werden. Außerdem ist dort, wo durch das Schwen ken des Düsenvorderteils der Ausströmquerschnitt aus dem feststehenden Düsenteil (1a) freigegeben wird, eine Ausströ mung in diese großzügig bemessene Düsenvorkammer (22) möglich. Dadurch wird ein Aufstau der Strömung in der Düse vermieden und die Geschwindigkeitsverteilung am Austritt der Schwenkdüse im Meßstrahl wird durch das Schwenken, wenn überhaupt, dann nur kaum merklich beeinflußt. Wenn diese Düsenvorkammer schal labsorbierend ausgekleidet wird, so wirkt sie in Verbindung mit der vorteilhafterweise ebenfalls schallabsorbierend be kleideten Düsenaußenwand noch zusätzlich wie ein Kammer schalldämpfer. Um eine Abdichtung der Düsenvorkammer gegenüber dem Meßraum zu erreichen, ist die Außenwand des schwenkbaren Düsenvorderteils (1b) bezogen auf die Schwenkachse (17) zy lindrisch ausgeführt. Der entsprechende Teil der Außenwand ist durch das Zeichen (23) gekennzeichnet. Auf dieser zylindri schen Außenwand kann eine Dichtlippe aufliegen, welche den Spalt zwischen verschwenkbarem Düsenvorderteil und Düsenvor kammer auch bei Schwenkbetrieb zuverlässig dichtet. In ähnli cher Weise ist eine Dichtung für die Zylinderquerschnittsflä che (24) oben und gegebenenfalls auch unten am Düsenvorderteil vorgesehen. Wenn der Boden (25) des schwenkbaren Düsenvorder teils (1a) in vorteilhafter Weise ein Kreisausschnitt aus dem Meßraumboden ist, so wird die Abdichtung des Düsenbodens z. B. als Lippendichtung am Umfang dieses Kreisausschnitts oder unterhalb desselben angebracht. Der Antrieb der Schwenkdüse, in den Figuren nicht eingezeichnet, erfolgt mittels einer Hydraulik oder einer Kurbelschwinge und entspricht den gemäß dem Stand der Technik im Maschinenbau üblichen Antriebskonzep ten.

Ergebnisse, die an einem Modellwindkanal mit einer solchen Schwenkdüse gemessen wurden, sind in Form von Geschwindig keitsverteilungen in den Fig. 4 bis 9 dargestellt. Fig. 4 zeigt ein Geschwindigkeisprofil, 60 mm stromab von der Windka naldüse in einer Höhe von 100 mm über dem Meßstreckenboden. Diese Maße gelten als Beispiel für ein Modell etwa im Maßstab 1 : 5 bis 1 : 8, bezogen auf den Windkanal in Großausführung, der die Untersuchung eines Personenkraftwagens in Originalgröße gestattet. Man erkennt, daß die Geschwindigkeitsverteilung sehr gleichmäßig ist. Die Fig. 5 zeigt für Schwenkwinkel β= +18° und die Fig. 6 für Schwenkwinkel β = -18° ebenfalls nahezu genauso gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilungen wie für β = 0°. In der Fig. 7 ist das vertikale Geschwindigkeits profil entlang der Höhenkoordinate Z aufgetragen und zwar wiederum für Schwenkwinkel 0°. Die Fig. 8 und 9 zeigen die entsprechenden Geschwindigkeitsprofile für die um + 18° bzw. -18° verschwenkte Düse. Auch hier sind die Geschwindigkeits verteilungen wieder sehr gleichmäßig und unterscheiden sich nicht merklich von der Geschwindigkeitsverteilung für die unverschwenkte Düse. Mit der Erfindung wird also die gestellte Aufgabe gelöst, einen Windkanal mit guter Strömungsqualität zu schaffen, bei dem während des Windkanalbetriebs, also bei Anströmung des im Windkanal befindlichen Objektes mit dem Windkanalstrahl, eine Veränderung der Strömungsrichtung mög lich ist.

Claims

1. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke, dadurch ge kennzeichnet, daß die Windkanaldüse zur Erzeugung einer in ihrer Richtung veränderlichen Strömung während des Betreibens, also bei blasendem Wind, geschwenkt werden kann.

2. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit der Schwenkbe wegung der zeitlichen Änderung des Strömungswinkels ent spricht, die an einem Personenwagen bei Fahrt im böigen Sei tenwind oder beim Überholen anderer Fahrzeuge auftritt.

3. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit der Schwenkbewegung in einen Bereich zwischen 30 Winkelgrad je Sekunde und 120 Winkelgrad je Sekunde liegt und der Schwenk winkelbereich +/- 30°, vorzugsweise ca. +/- 20° umfaßt.

4. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung um die vertikale Achse (17) erfolgt.

5. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtungs änderung durch Drehen des Düsenvorderteiles (1b) erreicht wird.

6. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenvorderteil (1b) von dem stromauf befindlichen Düsenhinterteil (1a) im Bereich des Wendepunktes der Düsenkontur zwischen der - von der Düsen mittellinie aus betrachtet - konkaven Krümmung des Düsenhin terteiles und der konvexen Krümmung des Düsenvorderteiles abgetrennt und das Düsenvorderteil an dieser Trennstelle von einer Einlaufrundung (19) umgeben ist.

7. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wind kanalmeßstrecke einen planen, horizontalen, z. B. einer Fahrbahnoberfläche entsprechenden Boden (20) aufweist.

8. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach den Anspruch 7, da durch gekennzeichnet, daß die horizontale Bodenfläche (21) der Meßstrecke sich in der Düse als Düsenboden (20) fort setzt.

9. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das schwenkbare Düsenvorderteil (1a) auf einen kreisförmigen Ausschnitt (25) der Bodenplatte mon tiert ist, dessen Mittelpunkt auf der vertikal verlaufenden Schwenkachse (17) liegt.

10. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenvorderteil (1b) zentrisch zur Schwenkachse (17) von einem Zylinder umgeben ist, dessen Mantelfläche (23) nach Art eines Küken das Düsenvorderteil bei der Schwenkbewegung gegen eine Kammer abdichtet, welche die Düse umgibt.

11. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse von einer Kammer (22) umgeben ist, in welcher sich bei Schwenken der Düse eine Aus gleichsströmung einstellt.

12. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (22), welche die Düsen um gibt, im Bereich des Eintritts in das Düsenhinterteil (1a) einen Rechteckquerschnitt hat und sich im Bereich des Dü senvorderteils der Düsenkontur durch einen seitlichen Einzug anpaßt.

13. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenhinterteil (1a) am Eintritt eine Einlaufrundung (18) und ein oder mehrere Turbulenzsiebe sowie einen Gleichrichter aufweist.

14. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eintritt in die Düse in der diese umgebenden Kam mer (22) ein Schutzsieb (14), ein Gleichrichter (15) und ein oder mehrere Turbulenzsiebe (16) eingebaut sind.

15. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß am Eintritt des Düsenvorderteils (1b) ein Turbulenzsieb einge baut ist.

16. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenquerschnitt rechteckig ist.

17. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenquerschnitt oben gebrochene Ecken (26) aufweist und der oberen Hälfte eines Achteckquerschnittes entspricht, dessen horizontale Achse in die Bodenplatte fällt.

18. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Zylinders (23) nach Anspruch 10 mindestens der Höhe der Düse entspricht und der Zylinder an seiner Ober seite mit einer horizontalen Dichtfläche (24) abschließt.

19. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der die Düse umgebenden Kammer zum Düsenein trittsquerschnitt in einem Verhältnis 12 bis 5 steht und die Düse selbst ein Verhältnis von Eintrittsquerschnitt zu Austrittsquerschnitt im Verhältnis 2 bis 6 aufweist.

20. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das schwenkbare Düsenvorderteil ein Verhältnis von Eintritts querschnitt zu Austrittsquerschnitt im Verhältnis 1,5 bis 3 aufweist.

21. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Auffängers (8) am Ende der Meßstrecke der vollen Breite des hin und her schwenkenden Freistrahls entspricht.

22. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 21, da durch gekennzeichnet, daß der Auffänger durch horizontale Leitschaufeln in seiner Höhe unterteilt ist.

23. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Leitschaufeln zugleich Umlenkschaufeln zur Umlenkung der Strömung in die vertikale Richtung sind.

24. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkschaufeln zugleich geräusch dämmende Funktion haben.

25. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach einem oder mehre ren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Strömungsantrieb und der Zuströmung zur Düse eine geräuschdämpfende Einrichtung eingebaut ist.

26. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Geräuschdämpfung mit der Funktion zur Umlenkung der Strömung um 180° kombi niert ist.

27. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach den Ansprüchen 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandflächen der Strömungsführung und des die Freistrahlmeßstrecke umgeben den Raumes ganz oder teilweise schallabsorbierend ausgebil det oder schallschluckend bekleidet sind.

28. Windkanal mit Freistrahlmeßstrecke nach den Ansprüchen 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (22), wel che die Düse (1) umgibt, ganz oder teilweise schallabsor bierend ausgekleidet ist und auf diese Weise in Verbindung mit der Düsenaußenwand, welche ganz oder teilweise schall absorbierend bekleidet sein kann, wie eine Schalldämpfkam mer wirkt.