Überschall-Windkanal
Ein Überschall-Windkanal ist ein Windkanal in dem sich Objekte bei Strömungsgeschwindigkeiten von Mach-Zahlen zwischen 1,2 und 5 experimentell untersuchen lassen. Die Mach-Zahl und die Strömung werden durch die Düsen-Geometrie bestimmt, die Reynolds-Zahl wird durch Variation der Dichte (abhängig vom Druck vor der Düse) festgelegt. Ein hohes Druckverhältnis zwischen Ein- und Auslass ist zum Betrieb notwendig (für einen Betrieb bei Mach 4 ist ein Druckverhältnis von etwa 10 notwendig). Durch die Abkühlung des Gases bei der Beschleunigung durch die Düse kann Kondensation auftreten, welche Funktionsstörungen hervorruft. Daher sind Überschall-Windkanäle oftmals mit einer Lufttrocknungs- bzw. Vorheizeinrichtung ausgestattet. Wegen ihres sehr hohen Energiebedarfs (siehe unten) werden sie normalerweise nicht im Dauerbetrieb gefahren.
Beschränkende Faktoren für die Auslegung
Minimal notwendiges Druckverhältnis
Eine optimistische Schätzung ist, dass das Druckverhältnis im Windkanal kleiner als das Totaldruckverhältnis einer senkrechten Stoßwelle mit gleicher Mach-Zahl ist:
$ {\frac {P_{t}}{P_{amb}}}\leq \left({\frac {P_{t_{1}}}{P_{t_{2}}}}\right)_{M_{1}=M_{m}} $
Temperatur im Messabschnitt und Kondensation
Die Temperatur nach der Düse berechnet sich zu
$ {\frac {T_{m}}{T_{t}}}=\left(1+{\frac {\kappa -1}{2}}M_{m}^{2}\right)^{-1} $
wobei $ \kappa $ der Isentropenexponent ist. Beispiel: $ T_{t} $ = 330K: $ T_{m} $ = 70K bei $ M_{m} $ = 4
Die sinnvoll erreichbare Mach-Zahl ist also durch die Temperatur im Druckgasreservoir vorgegeben.
Energiebedarf
Der Energiebedarf eines Überschall-Windkanals ist enorm, beispielsweise in der Größenordnung von 50 MW pro Quadratmeter Testfläche. Deshalb werden die meisten Kanäle mit Gas aus Hochdruckspeichern versorgt, was jedoch nur eine beschränkte Versuchsdauer erlaubt. Diese Bauart wird im Englischen als "intermittent supersonic blowdown wind tunnels" bezeichnet (siehe Abbildung). Eine weitere Möglichkeit, das Druckverhältnis zu erhöhen, ist die Verwendung von Vakuumtanks am Windkanalauslass; man spricht dann von "indraft supersonic wind tunnels". Folgende Faktoren können im Allgemeinen als kritisch angesehen werden:
- Ausreichende Zufuhr trockener Druckluft
- Interferenz der Strömung mit den Windkanalwänden
- Ausreichend schnelle Messinstrumente für die kurzen Experimentzeiten
Windkanäle wie das Ludwieg-Rohr haben kurze Experimentzeiten (normalerweise weniger als eine Sekunde), eine vergleichsweise hohe Reynolds-Zahl, jedoch einen niedrigen Energiebedarf, da nicht kontinuierlich gefahren wird.
Quellen
- Pope, A.; Goin, K.: High-speed Wind Tunnel Testing. Krieger, 1978, ISBN 088275727X.
Siehe auch
Weblinks
- UTA supersonic wind tunnel test (Video) (WMV; 16,4 MB)