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Im Windkanal

Die Kinderstube der Modellentwicklung

Strömungen und Winde, die beispielsweise auf Autos treffen, können äußerst komplexe Einflüsse haben. Wenn also innovative Formen auf ihre Aerodynamik untersucht werden sollen, kommen auch modernste Computersimulationen an ihre Grenzen. Um die Kräfte unter kontrollierten, realitätsnahen Bedingungen zu analysieren, werden die Modelle in Windkanälen erprobt.

Windkanäle werden seit je her auf zwei verschiedene Arten gebaut. Unterschieden wird zwischen dem „Eiffel-Kanal“ und dem „Göttinger Kanal“. Ersterer wurde vom französischen Ingenieur und Erbauer des Eiffelturms, Gustave Eiffel, Anfang des 20. Jahrhunderts erfunden. Er zeichnet sich durch seine besonders offene und verhältnismäßig einfache Konstruktion aus.

Windkanalmodelle
Schematischer Aufbau der beiden Windkanal-Modelle: Eiffel-Kanal (oben) und Göttinger Kanal (unten). © Jan Fleischer/ scinexx

Eiffel: Simpel, aber schwer zu kontrollieren

Bei der Eiffel-Bauweise wird die Luft aus der Umgebung angesaugt, durch eine Art Tunnel geleitet und am Ende wieder rausgeblasen. Der Windkanal besteht dadurch nur aus vier Bauteilen: einer trichterförmigen Ansaugöffnung, der Messstrecke mit dem zu untersuchenden Objekt, einem umgekehrten Trichter, der die Luft wieder dekomprimiert und dem Gebläse, das die Luft beschleunigt. Das Gebläse befindet sich ganz am Ende des Kanals und zieht die Luft durch ihn, als würde es an einem Strohhalm saugen.

Das Hauptproblem dieser Anlagenform ist die fehlende Konsistenz der Versuchsumgebung. Die angesaugte Luft ist immer von den draußen vorherrschenden Witterungsbedingungen, wie der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit abhängig. Diese sind durch die offene Bauart nur schwer zu kontrollieren und auf ein einheitliches, konstantes Niveau zu bringen.

Karussell für den Wind

Dieses Problem sah auch der deutsche Ingenieur Ludwig Prandtl, der kurze Zeit später die Arbeit Eiffels weiterentwickelte. Die dabei entstandene sogenannte Göttinger Bauweise besitzt einen komplexeren Aufbau. Sie stellt einen nahezu geschlossenen, viereckigen Kanal dar, in dem die Luft zirkuliert. Das macht das System unabhängiger von äußeren Einflüssen.

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Die Luft wird auch hier durch ein Gebläse beschleunigt, aber mithilfe von Umlenkschaufeln um zwei Ecken gebracht. Dort befinden sich ein Gleichrichter und ein Turbulenzsieb, die die Luft von Verwirbelungen befreien, bevor sie durch die Düse komprimiert und auf die Teststrecke geleitet wird. An deren Ende befindet sich ein Diffusor, der die Luft wieder abbremst und ihren Druck verringert. Anschließend wird der Wind über zwei weitere Ecken zurück zum Gebläse geleitet.

Erstmal nur für Flugzeuge konzipiert

Ursprünglich kamen Windkanäle vor allem bei Untersuchungen der frühen Luftfahrt zum Einsatz. Dadurch spielten sie auch eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Flugzeuge, wie wir sie heute kennen. Neue Tragflächenformen oder Modelle ganzer Flieger können auf den Teststrecken auf ihre aerodynamischen Eigenschaften getestet werden.

Flugzeug im Windkanal
Flugzeug-Modell in einem Windkanal der NASA © gemeinfrei

Die Idee, auch Autos dort zu untersuchen, stieß anfänglich auf Schwierigkeiten, weil die damaligen Kanäle nicht für Gegenstände, die auf dem Boden stehen, ausgelegt waren. Teilweise wurde versucht, die Fahrzeuge auf einer erhöhten Bodenplatte vor den kreisrunden Düsen zu platzieren, dies hatte aber deutliche Messungenauigkeiten zufolge. Erst durch die Konstruktion spezieller Windkanäle konnten auch fahrende Objekte untersucht werden.

Spezielle Bauweisen für spezielle Untersuchungen

Autos sind je nach Wetterlage diversen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Diese sind so facettenreich, dass ein einzelner Windkanal bei der Simulation an seine Grenzen kommt. Deshalb wurden mittlerweile zwei Arten von Windkanälen entwickelt, die zusammen das Spektrum der verschiedenen Einflüsse abdecken können.

Die eine Gruppe bilden aeroakustische Teststrecken, die einen Düsenquerschnitt von zehn bis 30 Quadratmetern besitzen und grundsätzliche aerodynamische Eigenschaften untersuchen. Wie der Name schon sagt, werden hier aber auch akustische Einflüsse innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs unter die Lupe genommen. Dazu gehören beispielsweise die Geräusche, die durch Bauteile wie Seitenspiegel erzeugt werden.

Es kann regnen, stürmen oder schneien

Die zweite Gruppe besteht aus Klima- und Thermowindkanälen, die einen kleineren Durchmesser von drei bis zwölf Quadratmetern aufweisen, dafür aber Wettereinflüsse besser simulieren können. So kann darauf getestet werden, wie sich unterschiedliche Sonneneinstrahlung, Regen und Schnee oder Verschmutzungen auf das Fahrverhalten eines Autos auswirken.

Die meisten modernen Automobilwindkanäle besitzen zusätzlich eine Art Laufband oder Rollen, um die sich drehenden Räder mit in die Simulation einzubeziehen. All diese Maßnahmen können zwar noch keine Realbedingungen darstellen, liefern aber verhältnismäßig verlässliche Testergebnisse.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Aerodynamik
Der Einfluss von Luft auf unser tägliches Leben

Autos und Rennwagen
Der ständige Kampf gegen den Luftwiderstand

Im Windkanal
Die Kinderstube der Modellentwicklung

Faszination Flugzeuge
Die richtige Form ist entscheidend

Windräder
Saubere Energie durch Auftriebskraft

Hochhäuser im Wind
Extreme Belastungen – extreme Chancen

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