UrsprüngeBearbeiten
Der englische Militäringenieur und Mathematiker Benjamin Robins (1707-1751) erfand einen Wirbelarmapparat, um den Luftwiderstand zu bestimmen, und führte einige der ersten Experimente zur Luftfahrttheorie durch.
Sir George Cayley (1773-1857) verwendete ebenfalls einen Wirbelarm, um den Widerstand und Auftrieb verschiedener Tragflächen zu messen. Sein Wirbelarm war 1,5 m (5 Fuß) lang und erreichte Spitzengeschwindigkeiten zwischen 3 und 6 m/s (10 und 20 Fuß pro Sekunde).
Otto Lilienthal benutzte einen rotierenden Arm, um Tragflächenprofile mit unterschiedlichen Anstellwinkeln genau zu messen und ihr Auftriebs-Widerstands-Verhältnis in Polardiagrammen zu bestimmen, aber es fehlten ihm die Begriffe induzierter Widerstand und Reynolds-Zahlen.
Doch, erzeugt der Wirbelarm keinen zuverlässigen Luftstrom, der bei normalem Anfall auf die Testform trifft. Die Zentrifugalkräfte und die Tatsache, dass sich das Objekt in seinem eigenen Sog bewegt, erschweren eine detaillierte Untersuchung des Luftstroms. Francis Herbert Wenham (1824-1908), ein Ratsmitglied der Aeronautical Society of Great Britain, nahm sich dieser Probleme an, indem er 1871 den ersten geschlossenen Windkanal erfand, konstruierte und betrieb. Nachdem dieser Durchbruch erzielt worden war, konnten mit Hilfe dieses Instruments rasch detaillierte technische Daten gewonnen werden. Wenham und seinem Kollegen John Browning werden viele grundlegende Entdeckungen zugeschrieben, darunter die Messung des l/d-Verhältnisses und die Entdeckung der vorteilhaften Auswirkungen eines hohen Seitenverhältnisses.
Konstantin Ziolkowski baute 1897 einen Windkanal mit offenem Querschnitt und einem Zentrifugalgebläse und bestimmte die Widerstandsbeiwerte von flachen Platten, Zylindern und Kugeln.
Der dänische Erfinder Poul la Cour setzte Windkanäle bei der Entwicklung und Verfeinerung der Windturbinentechnologie in den frühen 1890er Jahren ein.
Der Engländer Osborne Reynolds (1842-1912) von der Universität Manchester wies in einer klassischen Versuchsreihe nach, dass das Strömungsmuster über einem maßstabsgetreuen Modell für das Fahrzeug in Originalgröße das gleiche ist, wenn ein bestimmter Strömungsparameter in beiden Fällen gleich ist. Dieser Faktor, der heute als Reynolds-Zahl bekannt ist, ist ein grundlegender Parameter für die Beschreibung aller Strömungssituationen, einschließlich der Form von Strömungsmustern, der Leichtigkeit der Wärmeübertragung und des Auftretens von Turbulenzen. Dies ist die zentrale wissenschaftliche Begründung für den Einsatz von Modellen in Windkanälen zur Simulation von realen Phänomenen. Allerdings gibt es Einschränkungen bei den Bedingungen, unter denen die dynamische Ähnlichkeit allein auf der Reynolds-Zahl beruht.
Die Verwendung eines einfachen Windkanals durch die Gebrüder Wright im Jahr 1901, um die Auswirkungen der Luftströmung auf verschiedene Formen während der Entwicklung ihres Wright Flyers zu untersuchen, war in gewisser Weise revolutionär. Aus den obigen Ausführungen geht jedoch hervor, dass sie einfach die damals anerkannte Technologie nutzten, obwohl diese in Amerika noch nicht weit verbreitet war.
In Frankreich baute Gustave Eiffel (1832-1923) 1909 seinen ersten Windkanal mit offenem Rücklauf, der von einem 50-kW-Elektromotor angetrieben wurde, auf dem Champs-de-Mars, in der Nähe des Fußes des nach ihm benannten Turms.
Zwischen 1909 und 1912 führte Eiffel rund 4.000 Versuche in seinem Windkanal durch und setzte mit seinen systematischen Experimenten neue Maßstäbe für die Luftfahrtforschung. 1912 wurde Eiffels Labor nach Auteuil, einem Vorort von Paris, verlegt, wo sein Windkanal mit einer zwei Meter langen Versuchsstrecke noch heute in Betrieb ist. Eiffel verbesserte die Effizienz des Windkanals mit offenem Rücklauf erheblich, indem er die Teststrecke in eine Kammer einschloss, einen aufgeweiteten Einlass mit einem wabenförmigen Strömungsgleichrichter entwarf und einen Diffusor zwischen der Teststrecke und dem Ventilator am stromabwärts gelegenen Ende des Diffusors hinzufügte; diese Anordnung wurde von einer Reihe später gebauter Windkanäle übernommen; in der Tat wird der Windkanal mit offenem Rücklauf und niedriger Geschwindigkeit oft als Windkanal vom Typ Eiffel bezeichnet.
Weitverbreitete NutzungEdit
Die spätere Nutzung von Windkanälen verbreitete sich mit der Etablierung der Wissenschaft der Aerodynamik und der Disziplin der Luftfahrttechnik sowie der Entwicklung des Luftverkehrs und der Energieversorgung.
Die US-Marine baute 1916 in der Washingtoner Marinewerft einen der damals größten Windkanäle der Welt. Der Einlass hatte einen Durchmesser von fast 11 Fuß (3,4 m) und der Auslass einen Durchmesser von 7 Fuß (2,1 m). Ein 500 PS starker Elektromotor trieb die Flügel des Flügelrads an.
1931 baute die NACA im Langley Research Center in Langley, Virginia, einen 30 Fuß mal 60 Fuß großen Windkanal in Originalgröße. Der Tunnel wurde von einem Paar Ventilatoren angetrieben, die von 4.000 PS starken Elektromotoren angetrieben wurden. Die Anlage war ein geschlossener Kreislauf mit doppelter Rückführung und konnte viele echte Flugzeuge in voller Größe sowie maßstabsgetreue Modelle aufnehmen. Der Tunnel wurde schließlich geschlossen, und obwohl er 1995 zum National Historic Landmark erklärt wurde, wurde 2010 mit dem Abriss begonnen.
Bis zum Zweiten Weltkrieg befand sich der größte Windkanal der Welt, der 1932-1934 gebaut wurde, in einem Vorort von Paris, Chalais-Meudon, Frankreich. Er war für die Erprobung von Flugzeugen in Originalgröße konzipiert und verfügte über sechs große, von leistungsstarken Elektromotoren angetriebene Ventilatoren. Der Windkanal von Chalais-Meudon wurde von ONERA unter dem Namen S1Ch bis 1976 unter anderem für die Entwicklung der Flugzeuge Caravelle und Concorde genutzt. Heute ist dieser Windkanal als nationales Denkmal erhalten.
Ludwig Prandtl war Theodore von Kármáns Lehrer an der Universität Göttingen und schlug den Bau eines Windkanals für Tests von Luftschiffen vor, die sie entwarfen.:44 Die Wirbelstraße der Turbulenz hinter einem Zylinder wurde im Tunnel getestet.Als er später an die Universität Aachen wechselte, erinnerte er sich an die Nutzung dieser Einrichtung:
Ich erinnerte mich daran, dass der Windkanal in Göttingen als Werkzeug für Studien über das Verhalten von Zeppelinen begonnen wurde, aber dass er sich als wertvoll für alles andere erwiesen hatte, von der Bestimmung der Richtung des Rauchs aus dem Schornstein eines Schiffs bis zur Frage, ob ein bestimmtes Flugzeug fliegen würde. Fortschritte in Aachen, so meinte ich, wären ohne einen guten Windkanal praktisch unmöglich.:76
Als von Kármán begann, das Caltech zu konsultieren, arbeitete er mit Clark Millikan und Arthur L. Klein zusammen.:124 Er erhob Einwände gegen deren Entwurf und bestand auf einer Rückströmung, die das Gerät „unabhängig von den Schwankungen der äußeren Atmosphäre“ machte. Er wurde 1930 fertiggestellt und für die Northrop-Alpha-Tests verwendet.:169
Im Jahr 1939 fragte General Arnold, was erforderlich sei, um die USAF voranzubringen, und von Kármán antwortete: „Der erste Schritt ist, den richtigen Windkanal zu bauen.“:226 Andererseits schrieb er nach den Erfolgen der Bell X-2 und der Aussicht auf fortschrittlichere Forschung: „Ich war für den Bau eines solchen Flugzeugs, weil ich nie geglaubt habe, dass man alle Antworten aus einem Windkanal herausholen kann.“:302-03
Zweiter WeltkriegEdit
Im Jahr 1941 errichteten die USA auf dem Wright Field in Dayton, Ohio, einen der größten Windkanäle der damaligen Zeit. Dieser Windkanal beginnt bei 45 Fuß (14 m) und verengt sich auf 20 Fuß (6,1 m) im Durchmesser. Zwei 12 m (40 Fuß) lange Ventilatoren wurden von einem 40.000 PS starken Elektromotor angetrieben. Große Flugzeugmodelle konnten mit Geschwindigkeiten von 640 km/h (400 mph) getestet werden.
Der von deutschen Wissenschaftlern vor und während des Zweiten Weltkriegs in Peenemünde genutzte Windkanal ist ein interessantes Beispiel für die Schwierigkeiten, die mit der Erweiterung des Nutzbereichs großer Windkanäle verbunden sind. Er nutzte einige große natürliche Höhlen, die durch Ausgrabungen vergrößert und anschließend versiegelt wurden, um große Luftmengen zu speichern, die dann durch die Windkanäle geleitet werden konnten. Dieser innovative Ansatz ermöglichte Laborforschung im Hochgeschwindigkeitsbereich und beschleunigte den Fortschritt in der deutschen Luftfahrttechnik erheblich. Bei Kriegsende verfügte Deutschland über mindestens drei verschiedene Überschallwindkanäle, von denen einer in der Lage war, Luftströme mit Mach 4,4 (beheizt) zu erzeugen.
Ein großer Windkanal, der sich in der Nähe von Ötztal, Österreich, im Bau befand, hätte zwei Ventilatoren gehabt, die direkt von zwei 50.000-PS-Hydraulikturbinen angetrieben worden wären. Die Anlage wurde bei Kriegsende nicht fertiggestellt, und die demontierte Ausrüstung wurde 1946 nach Modane, Frankreich, verschifft, wo sie wieder aufgebaut wurde und dort immer noch von der ONERA betrieben wird. Mit seiner 8 m langen Teststrecke und einer Fluggeschwindigkeit von bis zu Mach 1 ist er die größte transsonische Windkanalanlage der Welt.
Am 22. Juni 1942 finanzierte Curtiss-Wright den Bau eines der größten Unterschall-Windkanäle der Nation in Buffalo, N.Y. Der erste Beton für das Gebäude wurde am 22. Juni 1942 auf einem Gelände gegossen, das später zu Calspan werden sollte, wo der größte Windkanal in unabhängiger Hand in den Vereinigten Staaten noch immer in Betrieb ist.
Bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs hatten die USA acht neue Windkanäle gebaut, darunter den größten der Welt in Moffett Field in der Nähe von Sunnyvale, Kalifornien, der für die Erprobung von Flugzeugen in voller Größe bei Geschwindigkeiten von weniger als 250 mph ausgelegt war, und einen vertikalen Windkanal in Wright Field, Ohio, wo der Windstrom für die Erprobung von Modellen in Trudelsituationen und die Konzepte und Konstruktionsentwürfe für die ersten in den USA geflogenen primitiven Hubschrauber nach oben gerichtet ist.
Nach dem Zweiten WeltkriegBearbeiten
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Spätere Forschungen zu Luftströmungen nahe oder oberhalb der Schallgeschwindigkeit verwendeten einen ähnlichen Ansatz. In Metalldruckkammern wurde Hochdruckluft gespeichert, die dann durch eine Düse beschleunigt wurde, um eine Überschallströmung zu erzeugen. Die Beobachtungs- oder Messkammer („Testabschnitt“) wurde dann an der richtigen Stelle in der Kehle oder Düse für die gewünschte Fluggeschwindigkeit platziert.
In den Vereinigten Staaten führte die Besorgnis über den Rückstand der amerikanischen Forschungseinrichtungen im Vergleich zu den von den Deutschen gebauten zu dem „Unitary Wind Tunnel Plan Act“ von 1949, der Ausgaben für den Bau neuer Windkanäle an Universitäten und an militärischen Standorten genehmigte. Einige deutsche Windkanäle aus der Kriegszeit wurden demontiert und in die Vereinigten Staaten verfrachtet, um deutsche Technologieentwicklungen zu nutzen.
Für begrenzte Anwendungen kann die numerische Strömungsmechanik (CFD) den Einsatz von Windkanälen ergänzen oder möglicherweise ersetzen. So wurde zum Beispiel das experimentelle Raketenflugzeug SpaceShipOne ohne den Einsatz von Windkanälen entwickelt. Bei einem Test wurden jedoch Flugfäden an der Oberfläche der Tragflächen angebracht, um während eines tatsächlichen Fluges eine Art Windkanaltest durchzuführen und das Berechnungsmodell zu verfeinern. Wo externe turbulente Strömungen vorhanden sind, ist CFD aufgrund der Beschränkungen der heutigen Rechenressourcen nicht praktikabel. Ein Bereich, der für den Einsatz von CFD noch viel zu komplex ist, ist zum Beispiel die Bestimmung der Auswirkungen von Strömungen auf und um Bauwerke, Brücken, Gelände usw.
Die effektivste Methode zur Simulation externer turbulenter Strömungen ist der Einsatz eines Grenzschicht-Windkanals.
Es gibt viele Anwendungen für die Modellierung von Grenzschicht-Windkanälen. Das Verständnis der Auswirkungen des Windes auf Hochhäuser, Fabriken, Brücken usw. kann den Konstrukteuren helfen, eine Struktur zu entwerfen, die den Windeinflüssen so effizient wie möglich widersteht. Eine weitere wichtige Anwendung für die Modellierung von Grenzschichtwindkanälen ist das Verständnis von Abgasausbreitungsmustern für Krankenhäuser, Labors und andere Emissionsquellen. Weitere Beispiele für Grenzschicht-Windkanalanwendungen sind Bewertungen des Fußgängerkomforts und der Schneeverwehung. Die Modellierung von Windkanälen ist eine anerkannte Methode zur Unterstützung bei der Planung umweltfreundlicher Gebäude. Zum Beispiel kann die Verwendung von Grenzschicht-Windkanalmodellen als Kriterium für die LEED-Zertifizierung (Leadership in Energy and Environmental Design) durch das U.S. Green Building Council verwendet werden.
Windkanaltests in einem Grenzschichtwindkanal ermöglichen die Simulation des natürlichen Widerstands der Erdoberfläche. Für die Genauigkeit ist es wichtig, das mittlere Windgeschwindigkeitsprofil und die Turbulenzeffekte innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht zu simulieren. Die meisten Vorschriften und Normen erkennen an, dass Windkanaltests zuverlässige Informationen für Konstrukteure liefern können, vor allem, wenn sich ihre Projekte in komplexem Gelände oder an exponierten Standorten befinden.
In den Vereinigten Staaten wurden in den letzten 20 Jahren viele Windkanäle außer Betrieb genommen, darunter auch einige historische Anlagen. Die verbleibenden Windkanäle stehen unter Druck, weil die Nutzung zurückgeht oder unregelmäßig ist, die Stromkosten hoch sind und in einigen Fällen der Wert des Grundstücks, auf dem sich die Anlage befindet, hoch ist. Andererseits sind für die CFD-Validierung nach wie vor Windkanaldaten erforderlich, und dies wird wahrscheinlich auch in absehbarer Zukunft der Fall sein. Es wurden bereits Studien durchgeführt und weitere sind im Gange, um den künftigen Bedarf an militärischen und kommerziellen Windkanälen zu ermitteln, aber das Ergebnis bleibt ungewiss. In jüngster Zeit hat der zunehmende Einsatz von düsengetriebenen, instrumentierten unbemannten Fahrzeugen einige der traditionellen Einsatzmöglichkeiten von Windkanälen ersetzt. Der schnellste Windkanal der Welt (Stand 2019) ist der LENS-X-Windkanal in Buffalo, New York.