DE4214991A1 - Windkanal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Windkanal zum Testen von Objekten im subsonischen, transsonischen und super­ sonischen Geschwindigkeitsbereich.

Aerodynamische Simulation in Windkanälen wird nor­ malerweise durch die sogenannte "Wandinterferenz" ge­ stört. Diese ergibt sich aus der Tatsache, daß im Wind­ kanal, im Gegensatz zu einem Flugzeug in freier Atmo­ sphäre (oder einem beliebigen Fahrzeug in freier Umge­ bung), die Strömung von Wänden umgeben ist. Infolge der Präsenz solcher Windkanalwände kann entweder die ge­ wünschte Strömungsmachzahl (Verhältnis von Geschwindig­ keit zur Schallgeschwindigkeit) nicht erreicht werden und/oder das Strömungsfeld um das Testobjekt wird in negativer Weise beeinflußt, d. h. die Qualität der Si­ mulation wird verringert.

Die Reduzierung derartiger durch die Windkanalwände verursachter Störungen und, wenn möglich, ihre theo­ retische Beschreibung und Berechnung gehört zu den Hauptaufgaben der Aerodynamiker. Zahlreiche Lösungs­ ansätze sind gefunden und getestet worden, ohne jedoch bisher den Anforderungen der Windkanalspezialisten ge­ recht werden zu können.

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 längs­ laufenden Schlitzen verschiedener Formen zu versehen. Alle drei Varianten bewirken, daß Teile des Haupt- Luftmassenstromes in eine Art Hohlraum um den Test­ bereich ausweichen können. Solche "offenen" Systeme re­ duzieren die Wandstörungen beträchtlich, jedoch hat sich gezeigt, däß dabei Störgeräusche erzeugt werden, welche die Qualitat der Hauptströmung verringern. Er­ hebliche 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 recht­ eckigen Meßstrecke ist es relativ einfach, zwei einan­ der gegenüberliegende Wände zur Anpassung an das Test­ objekt zu deformieren. Zwar würde hierdurch die Er­ zielung der richtigen Mach-Zahl ermöglicht, und es kön­ nen auch Störungen der Hauptströmung korrigiert werden, jedoch ist es nicht möglich, die verbleibenden Spann­ weiteneffekte 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 Po­ sitioniergenauigkeit dieser Wände bei hohen subsoni­ schen Mach-Zahlen, die ihren Einsatz bei großen Kanä­ len, insbesondere unter variablen Temperaturbedingun­ gen, aufgrund mechanischer Komplexität erheblich er­ schweren. Die Verwendung einer Kombination flexibler oktogonaler Wände, deren Grenzflächen aus Gleitplatten bestehen, führt zwar zu einer deutlichen Reduzierung der Wandinterferenzen, jedoch stehen massive mechani­ sche Schwierigkeiten diesem Vorteil gegenüber. Darüber­ hinaus muß ihre Einsatzfähigkeit im Überschallgebiet erst noch nachgewiesen werden.

Die beschriebenen Konzepte haben sämtlich den Nachteil, daß sie umfangreichere Änderungen an den Windkanal­ wänden erfordern und somit die Kanäle nicht oder nur mit Schwierigkeiten nachgerüstet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wind­ kanal zu schaffen, bei dem die Strömungsbedingungen an den Wänden der Meßstrecke in einer Weise beeinflußt werden, daß im zentralen Bereich der Meßstrecke eine aerodynamische Situation geschaffen wird, die den Ver­ hältnissen unter Freiflugbedingungen (d. h. ohne be­ grenzende Wände) weitestgehend identisch ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Anstelle der Bewegung oder Verformung der gesamten Wände ist bei der Erfindung nur eine geringe Zahl fle­ xibler Platten vorhanden, von denen jede den Boden ei­ ner Rinne bildet, die parallel zur Meßstrecke des Wind­ kanals 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 Meß­ strecke 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 Öff­ nungsfläche 3%, vorzugsweise 5%, der Wandfläche über­ steigt. In speziellen Situationen kann hiervon abge­ wichen werden, sofern das Verhältnis von Tiefe zu Breite der Rinnen nicht zu groß wird.

Für eine vollständige Kompensation der dreidimensiona­ len 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 ge­ währleisten.

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 em­ pirisch ermittelt oder nach speziellen Berechnungsme­ thoden errechnet werden. Ein einfacher Weg zur Erzie­ lung eines guten Ergebnisses besteht darin, das soge­ nannte Flächengesetz des zu testenden Modells zu be­ nutzen, um die aerodynamische Kanalverblockung zu kom­ pensieren. Zusätzlich können Daten benutzt werden, die aus einer geeigneten Druckdifferenz oder durch den Auf­ trieb des Modells erhalten werden, um die Rinnen zur Kompensation der durch diesen Auftrieb erzeugten Wand­ interferenzen einzustellen. Restkorrekturen können dann durch geeignete Rechenprogramme ermittelt werden, wie sie auch für den Fell geschlossener Meßstreckenwände benutzt werden.

Eine aufwendigere Methode des Positionsabgleichs der flexiblen Platten besteht darin, eines der Wandinter­ ferenz-Rechenprogramme in einem Optimierungsprozeß zu benutzen, der auf der Minimisierung der Resteffekte bei einer um das Modell herum angeordneten Anzahl von Kon­ trollpunkten beruht.

Die Erfindung liefert die folgenden Vorteile:
vollständige dreidimensionale Beseitigung der Wand­ interferenzen bei subsonischen Mach-Zahlen für jede Art von Modell und jede Art von Meßstrecken­ konfiguration,
Möglichkeit der Berechnung der Restkorrekturen, falls erforderlich, mit Hilfe existierender mathe­ matischer Modelle,
hohes Maß an Einstellgenauigkeit und Wiederhol­ barkeit der Positionierung,
geringer Energieaufwand durch geringe Energiever­ luste,
Reduzierung der aerodynamischen Geräuscherzeugung,
einfache, schrittweise und reversible Umrüstung zahlreicher existierender Windkanäle mit unter­ schiedlichen Meßstreckengeometrien,
geringe Kosten der Um- oder Nachrüstung der Wind­ kanal-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 aero­ dynamischer Vergleich mit festen Meßstreckenwänden zwecks Referenz möglich, indem die Rinnentiefe auf Null reduziert wird,
gute Überschallbedingungen können erzielt werden, wenn der Windkanal mit einer flexiblen Düse ausge­ rüstet 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 Rinnen­ kontur so eingestellt, daß sich ihr Boden vom Eintritts­ ende her kontinuierlich und stetig absenkt. Der Radius der Kanten, den die Rinnen mit der jeweiligen Meß­ streckenwand bilden, erhöht sich von etwa 0 am Ein­ trittsende bis auf seinen Maximalwert, der etwa gering­ fügig 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, ge­ schlitzten 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 Poro­ sität erzeugt, verglichen mit der Verformung der Platten, Strömungsstörungen zweiter Ordnung.

Die Erfindung ist bei subsonischen, insbesondere aber bei transsonischen Windkanälen anwendbar, die im Be­ reich der Schallgeschwindigkeit arbeiten, aber auch bei Überschall-Windkanälen. Die durch die Erfindung be­ wirkte 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. -100°C bis -200°C 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 Meß­ streckenwand eines Windkanals,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2 und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Rinnen­ randes 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 Seiten­ wände 13 und 14. Die Wände 11 bis 14 sind bei dem vor­ liegenden Ausführungsbeispiel 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 Wind­ kanals auf die Strömungsverhältnisse ausüben, sind in den Wänden 11 bis 14 längslaufende Schlitze vorgesehen, die sich über die gesamte Länge der Meßstrecke er­ strecken und eine Breite von etwa 2 bis 10 cm im Fall einer Meßstreckenbreite von etwa 2,4 m haben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 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 gegen­ überliegenden Seitenwand erstreckt und somit die Rin­ nenbreite ausfüllt. Der Boden 22 besteht aus einem Strei­ fen aus Blech, Kunststoff oder einem anderen flexiblen Material. Der Boden 22 ist in der Rinne 19 derart ange­ ordnet, daß sein Abstand vom Rinnengrund 21 örtlich verändert werden kann, so daß dieser Abstand in Längs­ richtung 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 ein­ gestellt werden, um den Abstand des Bodens 22 vom Rin­ nengrund 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.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 besteht der Bo­ den 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 ge­ schlossen 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 Kanten­ radius r seinen größten Wert von etwa 10 mm, unter Zu­ grundelegung einer Breite der Meßstrecke von ca. 2,4 m.

Claims (5)

1. Windkanal mit Wänden (11, 12, 13, 14), die eine Meß­ strecke umgeben und in Längsrichtung verlaufende Schlitze (18) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den Schlitzen (18) Rinnen (19) ausge­ bildet sind, die einen flexiblen Boden (22) ent­ halten, und daß Verstellmittel (23) vorgesehen sind, um die flexiblen Böden in variierende Formen zu bringen und festzuhalten.

2. Windkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder (25) der Schlitze (18) in Längs­ richtung variierende Kantenradien haben, wobei der Kantenradius sich in mindestens einem Bereich der Schlitzlänge in Strömungsrichtung vergrößert.

3. Windkanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 Seiten­ wände (20) und einen festen Rinnengrund (21) auf­ weisen, wobei der flexible Boden (22) über dem Rinnengrund (21) angeordnet ist.