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Flugphysik:

Zu Besuch im Windkanal

Version 1, 26.11.2008


Im Rahmen eines ETH-Praktikums hatte ich die Gelegenheit, mir zusammen mit anderen Studenten einen Windkanal genauer anzusehen und auch einige Experimente mitzuerleben.



Inhalt

1 Die Anlage
2 Strömungsabriss
3 Randwirbel
4 Auftrieb
5 Hysterese



1 Die Anlage

Die Versuche fanden in einem geschlossenen Umlauf-Windkanal statt, in dem eine profilierte Tragfläche (NACA 0012, 20x100cm) stehend montiert war. Die Kräfte auf die Tragfläche wurden mit einer 6-Achsen-Piezowaage (Kraft und Drehmoment für jede Raumachse) gemessen. Die Strömungsgeschwindigkeit im Windkanal konnte alternativ mittels Prandtl-Sonde oder mittels Luftdruckänderung im geraden Kanalstück ermittelt werden.

Der obere Teil des Windkanals. Links und rechts gehts in Betonröhren abwärts, der untere Teil der Windkanalschlaufe samt Turbinen befindet sich einen Stock tiefer.

[Windkanal aussen]

Der begehbare Innenteil des Windkanals (auf dem obigen Bild die freihängende Metallröhre), links und rechts sind die beiden Betonröhren ins untere Stockwerk zu sehen, in der Mitte die Versuchs-Tragfläche. Die Begehbare "Experimentfläche" (schwarzer Boden) ist ca. 3x5m gross bei 2m Deckenhöhe.

[Windkanal innen]

Die Prandtl-Sonde für die Geschwindigkeitsmessung.

[Prandtl-Sonde]

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2 Strömungsabriss

Die Strömungsverhältnisse am Flügel wurden mit Wollfäden sichtbar gemacht. Von Links nach rechts:
[-] Strömung liegt vollständig an, alle Wollfäden zeigen parallel nach hinten und flattern nicht.
[-] Die Strömung reisst gerade ab, die hinteren Wollfäden sind bereits ungerichtet und schwanken wild hin und her (turbulente Strömung) die vorderen sind noch ruhig (laminare Strömung).
[-] Vollständiger Strömungsabriss (Flügeloberseite zeigt zum Betrachter), die Strömung auf der Flügeloberseite ist vollständig turbulent.

[Windkanal innen] [Windkanal innen] [Windkanal innen]

Bei abgerissener Strömung zieht es die (laminare) Strömung auf der Flügelunterseite "um die Endleiste herum" auf die Flügeloberseite, gut zu sehen an den untersten Wollfäden.

[Windkanal innen]

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3 Randwirbel

Die Randwirbel wurden zuerst mit einem an einem Stab befestigten Wollfaden...

[Windkanal innen] [Windkanal innen] [Windkanal innen]

... und anschliessend mit einer Rauchsonde sichtbar gemacht.

[Windkanal innen]

Eine Platte senkrecht zum Profil auf dessen Endleiste bringt die Randwirbel keinesfalls zum Verschwinden, sie verschiebt sie lediglich in Richtung Plattenkanten.

[Windkanal innen] [Windkanal innen]

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4 Auftrieb

[Auftrieb] Als Zusatzübung konnte ich am Schluss des Praktikums den Flügel noch bei 7m/s von 0 bis 93 Grad Anstellwinkel vermessen. Die Resultate sind im Diagramm rechts zusammengefasst.
[-] Bis zum Abriss bei knapp 12 Grad läuft alles wie gewohnt.
[-] Der Auftriebseinbruch und der Widerstandsanstieg sind weit weniger heftig als ich das von der Praxis her erwartet hätte. Allerdings, selbst wenn schlagartig auch nur 20 Prozent der Auftriebskraft fehlen gehts schon mit knapp 2m/s^2 abwärts. Von dem her passt das.
[-] Das Konstantbleiben bis 24 Grad und der Buckel bis 56 Grad erstaunten mich erneut. Wenn man sich jedoch vor Augen führt, dass diese Auftriebswerte ja bei konstanten 10m/s gemessen wurden und im Harrier kein Mensch mit 10m/s unterwegs ist macht das auch wieder Sinn.
[-] Die grösste Überraschung stellte sich bei 90 Grad Anstellwinkel ein, hier ist offensichtlich noch massig Auftrieb vorhanden. Eine Erklärung für dieses Phänomen gibts im RcLine-Forum [extern]

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5 Hysterese

[Hysterese] Das Spiel kennen die Kunstflugpiloten nur zu gut. Nach einem Abriss muss ordentlich gedrückt werden damit sich die Strömung wieder anlegen kann. Wie in untenstehendem Diagramm ersichtlich steigt die Auftriebskraft bei steigendem Anstellwinkel (durchgezogene Linie) fast linear an, bricht beim Strömungsabriss bei 13.9 Grad (Höhere Reynoldszahl wegen höherer Strömungsgeschwindigkeit in diesem Versuch, daher reisst der Flügel erst bei höherem Anstellwinkel ab) schlagartig ein und bleibt dann mehr oder weniger konstant. Die Auftriebsschwankungen nach dem Abriss sind eine Folge der jetzt turbulenten Umströmung der Tragflächenoberseite. Bei Reduktion des Anstellwinkels (gepunktete Linie) erfolgt das Wiederanlegen der Strömung verzögert und nicht derart schlagartig wie der Abriss. Folgerung: Nach einem Strömungsabriss muss der Pilot den Anstellwinkel seines Flugzeug-Flügels merklich unter den "Abreisswinkel" absenken, damit sich die Strömung wieder sicher anlegen kann.

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[Copyright] Fabian Günther
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