Die Windkanaltests
Die Windkanaltests wurden in den letzten fünf Jahrzehnten umfassend für industrielle Anwendungen und für die Forschung eingesetzt.
Ein Windkanaltest ist ein aerodynamischer Test, der in einem Windtunnel durchgeführt wird, in dem das Verhalten eines Objekts untersucht wird, das einer die realen Bedingungen simulierenden Luftströmung ausgesetzt ist.
Die Windkanaltests erfordern eine kostspielige Anlage und ausgefeilte Instrumente, um eine Reihe von Feldvariablen zu messen (Windgeschwindigkeit, Drucklasten, Turbulenzintensität usw.).
Ihre Hauptbeschränkung liegt darin, dass solche Messungen nur an einigen präzisen Punkten des Versuchsquerschnitts gewonnen werden, was das globale Verständnis der evolutiven oder transienten Prozesse komplexer instationärer Phänomene (wie Wirbelablösung, Turbulenznachläufe und thermische Schichtung) erheblich einschränkt.
Die verschiedenen Schritte eines Windkanaltests
Von der Festlegung des Ziels bis zur Analyse der Ergebnisse folgt ein Windkanaltest sechs methodischen Schritten:
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Festlegung des Ziels
Vor der Durchführung eines Windkanaltests ist es wichtig, das Ziel des Tests klar zu definieren. Dies könnte die Untersuchung des Luftwiderstands eines Fahrzeugs, die Optimierung des Auftriebs einer Flugzeugtragfläche oder auch die Bewertung der Stabilität eines Gebäudes gegenüber dem Wind sein.
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Konstruktion des Modells
Ein verkleinertes Modell des zu untersuchenden Objekts wird im Allgemeinen in einem verkleinerten Maßstab gefertigt, um im Windkanal getestet werden zu können. Das Modell kann aus verschiedenen Materialien wie Kunststoff, Holz oder sogar durch 3D-Druck gefertigt werden.
- 3
Einbau des Modells in den Windkanal
Sobald das Modell bereit ist, wird es im Windtunnel so positioniert, dass es der Luftströmung ausgesetzt ist. Halterungen und Messsysteme werden verwendet, um das Modell an Ort und Stelle zu halten und die relevanten Daten während des Tests zu erfassen.
- 4
Einstellung der Testbedingungen
Vor Beginn des Tests müssen die Bedingungen eingestellt werden, wie die Windgeschwindigkeit, die Temperatur und der Druck. Diese Bedingungen werden im Allgemeinen anhand der spezifischen technischen Spezifikationen des zu testenden Objekts bestimmt.
- 5
Datenerfassung
Während des Tests werden verschiedene Messungen und Beobachtungen durchgeführt, um das Verhalten des Objekts in der Luftströmung zu bewerten. Dies kann die Messung der auf das Objekt ausgeübten Kraft (Luftwiderstand, Auftrieb), die Visualisierung der Luftströmungen mithilfe von Visualisierungstechniken (Rauch, Partikel) oder auch die Messung der Drücke an der Oberfläche des Objekts umfassen.
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Analyse der Ergebnisse
Sobald die Daten erfasst sind, werden sie analysiert, um Schlüsse über das aerodynamische Verhalten des Objekts zu ziehen. Die Ergebnisse werden oft in Form von technischen Berichten, Diagrammen oder Visualisierungen präsentiert, um die Schlussfolgerungen der Studie und die etwaigen Empfehlungen zur Optimierung des getesteten Objekts zu vermitteln.
Numerische Modellierung der Windkanaltests
Die CFD bietet zahlreiche Vorteile gegenüber den Windkanaltests.
Über die Erzeugung von Simulationen im realen Maßstab hinaus (anstelle von Modellen im verkleinerten Maßstab für zahlreiche physische Simulationen) liefert sie auch ergänzende Daten und ermöglicht es, für einen gegebenen Wind die Windgeschwindigkeiten gleichzeitig zwischen zwei Punkten zu vergleichen.
Es ist möglich, Studien der Hydrologie, der Aeraulik oder der Thermik in verschiedenen Maßstäben durchzuführen: von der Mikroelektronik bis zu Studien von Gebäuden und Städten.
Von der Mikroelektronik bis zum Maßstab einer Stadt
Ein und dieselbe CFD-Methode deckt Studien der Hydrologie, Aeraulik und Thermik in allen Maßstäben ab — vom elektronischen Bauteil von wenigen Millimetern bis zum städtischen Viertel, eine Amplitude, die mit physischen Modellen schwer abzudecken ist.
Die Ergebnisse können klarer visualisiert und einer breiten Öffentlichkeit erklärt werden.
Windkanal oder CFD: was wählen?
Bei denselben aerodynamischen Fragestellungen spielen die beiden Ansätze nicht in derselben Liga. Synthese der Unterschiede:
| Kriterium | Windkanaltest | CFD-Simulation |
|---|---|---|
| Maßstab des Modells | Modell im verkleinerten Maßstab (Kunststoff, Holz, 3D-Druck) | Simulation im realen Maßstab, ohne Modell |
| Abdeckung der Messungen | Einige präzise Punkte des Versuchsquerschnitts | Vollständiges Feld; gleichzeitiger Vergleich der Geschwindigkeiten zwischen zwei Punkten für einen gegebenen Wind |
| Komplexe instationäre PhänomeneWirbel, turbulente Nachläufe, thermische Schichtung | Eingeschränktes globales Verständnis | Evolutive und transiente Prozesse wiedergegeben |
| Anlage & Instrumentierung | Kostspielige Anlage, ausgefeilte Instrumente | Numerische Studie: wirksame und wirtschaftliche Alternative |
| Wiedergabe & Vermittlung | Technische Berichte, Diagramme, punktuelle Visualisierungen | Ergebnisse klarer visualisiert und einer breiten Öffentlichkeit erklärbar |
| AeroakustikLärm aerodynamischen Ursprungs | Im Allgemeinen relevanter: direkte Messung des aerodynamischen Lärms | Simulation möglich, aber aufwendig und sehr kostspielig |
| Klima & WitterungRegen, Schnee, Vereisung | Ausgefeilte Klimawindkanäle: Fähigkeit zur Regensimulation und Reproduktion eines Klimas | Modellierbar, aber komplex originalgetreu zu reproduzieren |
Die CFD: ein sehr breites Anwendungsspektrum
Diese Methoden ermöglichen es, ein sehr breites Spektrum an Fragestellungen zu lösen. Die CFD entfaltet sich als ein echter Werkzeugkasten, von der Strömung der Fluide bis zu den Wärmeaustauschvorgängen, über die Multiphysik und die Hydrologie.
Werkzeugkasten
- Die Strömung eines Fluids um oder innerhalb eines Körpers simulieren
- Den Windkomfort untersuchen
- Untersuchung der Windlasten
Werkzeugkasten Thermik
- Die konvektiven Austauschvorgänge untersuchen
- Die konduktiven Austauschvorgänge untersuchen
- Die radiativen Austauschvorgänge untersuchen
Werkzeugkasten Multiphysik
- Die Schadstoffausbreitung visualisieren
- Die Entrauchung untersuchen
- Die Bewegung von Staub, Sand … untersuchen
- Die Bewegung von Objekten, Ventilatoren … untersuchen
Studie der Hydrologie
- Strömung von Fluiden
- Überflutungsrisiko
- Regen- oder Schneerisiko
Vernetzung, Randbedingungen, Turbulenzmodell: entdecken Sie die Grundlagen einer CFD-Studie.
Sollte man den Windkanal wirklich aufgeben?
Die Frage verdiente mehr als einen Slogan. Hier eine ausgewogene Antwort, im Licht all dessen, was vorausgeht.
Windkanaltests überholt? Nicht ganz — aber die CFD ist zum Reflex geworden.
Der Windkanal behält seinen Wert als physischer Referenztest, um ein Modell zu kalibrieren oder einen kritischen Fall zu validieren. Doch bei der großen Mehrheit der aerodynamischen, thermischen und multiphysikalischen Fragestellungen des Bauwesens und der Industrie setzt sich die CFD-Simulation als die wirksame und wirtschaftliche Alternative durch: Sie arbeitet im realen Maßstab, gibt das vollständige Feld wieder statt einiger Messpunkte und ermöglicht es, so viele Varianten wie nötig zu erkunden, ohne ein Modell neu zu bauen.
Kein verkleinertes Modell
Die reale Geometrie des Gebäudes oder der Stadt wird direkt simuliert, ohne zu korrigierenden Maßstabseffekt.
Das gesamte Gebiet, nicht einige Sonden
Geschwindigkeit, Druck, Temperatur und Turbulenz sind überall bekannt — auch in den instationären Phänomenen.
Iterieren ohne neu zu bauen
Jede Entwurfsvariante wird per Berechnung neu gestartet, dort wo der Windkanal ein neues Modell verlangt.
