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Ein Windkanal dient dazu, die aerodynamischen Eigenschaften von Objekten zu untersuchen und vermessen.

Am bekanntesten sind wohl die Windkanaluntersuchungen von Flugzeugen und Autos. Während bei Autos hauptsächlich ein niedriger Luftwiderstand erzielt werden soll, spielen bei Flugzeugen wesentlich mehr Aspekte eine Rolle: Luftwiderstand, Auftrieb, Tragflächenprofil, Stabilität, Steuerung usw. Daneben werden inzwischen auch Eisenbahnzüge und Schiffe im Windkanal untersucht. Ganz wichtig ist mittlerweile auch die Untersuchung von hohen Bauwerken wie Schornsteinen oder Wolkenkratzern. Hier muss darauf geachtet werden, dass die Bauwerke bei Stürmen dem Winddruck und vor allem dem Windsog standhalten und nicht in Schwingung geraten. Um die Windströmung richtig simulieren zu können, muss dafür manchmal die gesamte nähere Umgebung nachgebaut werden. Nur selten können Objekte in Originalgröße im Windkanal untersucht werden; Autos bilden hier eine Ausnahme, da sie nicht allzu groß sind und die relativ niedrigen Luftgeschwindigkeiten große Windkanäle erlauben. Für Flugzeuge oder Gebäude müssen daher maßstabsgerechte Modelle gebaut werden. Ein Problem besteht jedoch darin, dass die Luft sich bei kleinen Modellen anders verhält als bei den Objekten in ihrer tatsächlichen Größe (siehe Reynolds-Zahl). Durch Erhöhung des Luftdrucks und/oder Verringerung der Temperatur lassen sich jedoch die Lufteigenschaften dem Maßstab des Modells anpassen. In manchen Windkanälen wird daher statt mit Luft mit -160 °C kaltem Stickstoff gearbeitet.

Aufbau

Windkanäle bestehen aus einem oder mehreren großen Gebläsen, die die Luftströmung erzeugen, Gleichrichterelementen und einer Düse, die für eine möglichst gleichmäßige, unverwirbelte Strömung sorgen sollen, sowie der eigentlichen Messstrecke, in der die Untersuchungen durchgeführt werden. Die Strömung in der Messstrecke soll dabei möglichst gleichförmig, parallel, turbulenz- und lärmarm sein. Eine quantitative Aussage über die turbulenten Schwankungsgeschwindigkeiten macht der Turbulenzgrad des Windkanals, der gleichzeitig ein Maß für die Güte desselben darstellt. Die Messstrecke kann, wie in der Grafik dargestellt, offen sein, d.h. die Strömung wird von der Düse in eine Messhalle ausgeblasen und an der anderen Messhallenseite von einem Auffänger oder Kollektor aufgefangen, wobei sich in der Messhalle eine Scherschicht zwischen der bewegten und der stehenden Luft aufbaut. Es gibt jedoch auch geschlossene Messstrecken, in denen die Strömung auch in der Messstrecke durch eine Wand geführt wird und geschlitzte Messstrecken, bei denen diese Wand mit Schlitzen durchbrochen ist.

Auch Windkanäle selbst können offen oder geschlossen sein. Bei der offenen Bauweise wird die Luft aus der Umgebung angesaugt, fließt durch die Messkammer und entweicht am anderen Ende wieder ins Freie. Geschlossene Windkanäle haben einen ringförmigen Luftkanal. Tiefe Temperaturen und hoher Druck können nur in geschlossenen Windkanälen erzeugt werden. Windkanäle für Unterschallgeschwindigkeiten können mehrere Meter Durchmesser haben, dagegen schrumpft die Größe von Windkanälen für den hohen Überschallbereich auf wenige Zentimeter zusammen. Windkanalexperimente sind jedoch stets mit hohen Kosten verbunden. Daher versucht man heute zunehmend die Versuche durch numerische Strömungssimulation (CFD, computational fluid dynamics) zu ersetzten. Aufgrund der hohen Komplexität des Strömungsfeldes wird in der Regel jedoch nur eine qualitative Übereinstimmung der Ergebnisse erreicht. Die Phänomene werden bereits heute recht gut abgebildet, hier z. B. eine numerische Strömungsvisualisierung einer Flugzeugumströmung. Langfristiges Ziel ist es, den Windkanal durch einen virtuellen, numerisch simulierten Windkanal zu ersetzen.

Historisches

Von Gustave Eiffel wurden in den Jahren 1905 und 1906 am Eiffelturm Untersuchungen zum Strömungswiderstand von rechteckigen und ovalen Platten gemacht, indem diese von der zweiten Plattform des Turmes aus an einem Drahtseil geführt senkrecht nach unten fallen gelassen wurden. Hierbei wurde die auf die Platte wirkende Kraft auf einem mit berußtem Papier umwickelten Metallzylinder aufgezeichnet. Später baute Gustave Eiffel auf dem Marsfeld ein Laboratorium mit einem ersten Windkanal auf, der aus einer geschlossenen Messkabine bestand, aus der auf der einen Seite mit Hilfe eines elektrischen Gebläses die Luft abgesaugt wurde (die „70 PS“ Strom hierzu lieferte übrigens die Kraftzentrale des Eiffelturms). Auf der gegenüberliegenden Seite des Raumes strömte Luft von aus eine großen Lagerraum durch eine Düse in das innere der Messstrecke nach. In dem so erzeugten Strahl wurden von Eiffels Mitarbeitern später auch systematische Untersuchungen zum Verhalten der ersten Tragflügelformen für Flugzeuge angestellt. Diese Art eines offenen Kanals, der durch Außenluft gespeist wird, trägt daher auch den Namen „Eiffel-Kanal“.

Ein Eiffel-Kanal hat den Nachteil, dass sich Temperatur- und Druckschwankungen sowie Geschwindigkeitsunterschiede aus der Umgebung, aus der die Luft angesaugt wird, in die Messtrecke fortsetzen, so dass sich die Strömung nur innerhalb gewisser Grenzen laminar halten und einstellen lässt. Aus diesem Grunde wurde von Ludwig Prandtl eine andere Form des Windkanals entwickelt und erstmals 1904 in der von ihm gegründeten „Modellversuchsanstalt“ in Göttingen umgesetzt. Bei einem Windkanal nach Göttinger Typ wird hinter der Messstrecke die Luft in einem Auffangtrichter von einem Gebläse abgesaugt, von wo aus sie über einen Kanal wieder der Düse vor der Messstrecke zuströmt. Auf diese Weise können die physikalischen Eigenschaften der Luft im Kanal gut kontrolliert werden. Man kann z. B. den ganzen Kanal und die Messstrecke unter erhöhten Druck bringen oder herabkühlen. Es gibt Kanäle, in denen mit Drücken bis 120 bar oder Temperaturen bis - 200° Celsius gearbeitet wird.

Diese Bauweise wurde inspiriert von einem Experimentierkanal, mit dem Prandtl in Hannover Untersuchungen mit strömendem Wasser unternahm. Anstelle des Gebläses wurde bei diesem etwa 2 m langen und 20 cm breiten Kanal ein Wasserrad mittels einer Handkurbel in Drehung versetzt, woraufhin das Wasser in der Messstrecke abgesaugt wurde und durch einen Umströmkanal, der sich unter dieser befand, wieder auf die andere Seite der Messtrecke strömte. Von oben konnten in den offenen Kanal Hindernisse eingesetzt und ihre Umströmung beobachtet werden.

Siehe auch

• Aeroakustik-Windkanal
• Europäischer transsonischer Windkanal
• Henrich Fockes Windkanal in Bremen
• Trudelturm

Weblinks

• Institut für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin - Strömungskanäle
• NASA Kids Science News Video - Wind Tunnels - engl.
• The German-Dutch Wind Tunnels - engl.