Wie werden Windkanäle mit maßstabsgetreuen Modellen verwendet?

Während der Entwicklung werden viele verschiedene Windkanäle verwendet. Die Maßstäbe reichen von Vollmaßstab bis unter 1/100, und manchmal müssen nicht nur die geometrischen, sondern auch die dynamischen und elastischen Eigenschaften des zu testenden Flugzeugs korrekt modelliert werden.

Heutzutage wird die Vorarbeit hauptsächlich in numerischen Simulationen geleistet, aber vor der Verfügbarkeit von Computern waren frühe Windkanalmodelle oft im Maßstab 1:50 bis 1:16 (abhängig von der Größe des realen Artikels und dem verfügbaren Windkanal). mit modularen Modellen, an denen verschiedene Motorplatzierungen oder Heckgeometrien ausprobiert werden konnten. Da Windkanaltests echtes Geld kosten, sind frühe Tests auf kleine, kostengünstige Tunnel beschränkt, die bei Umgebungstemperatur und -dichte betrieben werden. Unterschiede in der Reynoldszahl zwischen Testartikel und realem Flugzeug werden mit Korrekturfaktoren und Erfahrungswerten abgedeckt.

Erst wenn ein Design in der Entwicklung voranschreitet, kommen größere und teurere Tunnel zum Einsatz. Auch hier ist das Anpassen der Reynolds-Zahl nicht möglich und für einige Tests nicht einmal erforderlich: Für einen Spinntunnel muss der Testartikel dynamisch skaliert werden (damit er die richtigen Trägheitsmomente hat), aber die getrennte Strömung wird weniger von der Reynolds-Zahl beeinflusst , also die Genauigkeit eines Modells im Maßstab 1:20 ist ausreichend. Außerdem braucht ein frei fallendes Modell in einem Spinntunnel ziemlich viel Platz, um sich zu bewegen, sodass selbst kleine Modelle bereits Teststrecken mit mehreren Metern Durchmesser benötigen.

Um die Kosten zu senken und die engen Zeitpläne von Windkanälen zu umgehen, werden auch frei fliegende oder funkgesteuerte Modelle verwendet. Sehen Sie sich in diesem Video (ab 2:00') an, wie Dornier-Ingenieure das dynamische Verhalten des damals neuen Dreiradgetriebes der Do-335 oder die Notwassereigenschaften (ab 2:13') getestet haben.

Nur wenn sowohl die Mach- als auch die Reynolds-Zahl angepasst werden müssen, werden kryogene und druckbeaufschlagte Windkanäle verwendet. Aufgrund ihres Energiebedarfs und ihrer Verfügbarkeit müssen solche Tests Jahre im Voraus geplant und minutiös geplant werden. Modelle können Millionen von Dollar oder Euro kosten, daher werden solche Tests meistens Parameter eingrenzen, die zuvor in einfacheren Tests gemessen wurden. Große Tunnel wie der 9,5 x 9,5 m große LLF in Marknesse (Niederlande) werden hauptsächlich zum Testen der Eigenschaften bei niedriger Geschwindigkeit und hohem Auftrieb verwendet, da sein 12,6-MW-Motor nur eine Geschwindigkeit von 62 m/s bei voller Leistung unterstützen kann. Am anderen Ende der Skala befinden sich Hyperschall -Blow-Down-Röhren , die einen Testabschnitt mit einem Durchmesser von 0,5 m unterstützen, in dem Mach 6 für den Bruchteil einer Sekunde erreicht werden kann.

Vollständige Tests in einem Windkanal sind nur mit kleinen Flugzeugen möglich - Beispiele finden Sie in den Antworten auf diese Frage . Selbst dann entsprechen die Geschwindigkeiten nicht der Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs, sodass die Lasten nur einen Bruchteil der tatsächlichen Lasten ausmachen.

Jan Roskam stellt in seinem Buch „ Roskams Flugzeugkriegsgeschichten “ fest:

Es ist sicherlich ein ungewöhnlicher Luxus für einen Ingenieur, vollständige Reynolds-Zahl-Tunneldaten zur Verfügung zu haben.

Normalerweise wird für Fälle mit niedrigem Unterschall die Reynolds-Zahl angepasst, während für transsonische und Überschall-Fälle die Mach-Zahl angepasst wird. Falls Sie nur die Ähnlichkeit der Reynolds-Zahl wünschen, können Sie sich für einen Wassertunnel entscheiden.

Die einzige Möglichkeit, sowohl Reynolds- als auch Mach-Zahl-Ähnlichkeit für Modelle zu erhalten (es sei denn, Sie ändern das Medium), besteht darin, einen unter Druck stehenden und / oder kryogenen Windkanal zu verwenden. Der kryogene Windkanal erreicht die erforderliche Reynolds-Zahl, indem er die viskosen Kräfte verringert, anstatt die Trägheitskräfte zu erhöhen; Selbst dann werden die tatsächlichen Reynolds-Zahlen, denen man im Flug begegnet, selten erreicht, und man muss auf Skalierungsgesetze zurückgreifen.

Der Maßstab des verwendeten Modells hängt von der Anwendung ab. In einigen Fällen (z. B. beim Testen von Hyperschallfahrzeugen) werden Modelle im Maßstab 1:1 verwendet, während in anderen Fällen, z. B. beim A380-Test, sogar 200:1-Modelle verwendet wurden.

Obwohl sich die auf die Modelle wirkende Kraft je nach Anwendung unterscheiden würde (und sich in einigen Fällen sogar den tatsächlichen Kräften annähern würde), sind die auf die kleineren Modelle wirkenden Kräfte recht gering (beachten Sie die Auftriebs- und Widerstandsskala als Quadrat der Dimension, vorausgesetzt, andere Parameter sind gleich , was hier nicht einmal der Fall ist). Im Allgemeinen werden verschiedene Skalierungsgesetze verwendet, um zu den Kräften zu gelangen, denen das tatsächliche Flugzeug ausgesetzt ist. Dieses Video zeigt beispielsweise die Kräfte in einem maßstabsgetreuen A380-Modell in der Größenordnung von Newton. Normalerweise möchten Sie den Auftriebs- (oder Widerstands-) Koeffizienten des Modells finden und ihn im tatsächlichen Fall verwenden.

Der Kirsten-Windkanal in dem von Ihnen verlinkten Bild kann einen maximalen Auftrieb von etwas mehr als einer Tonne messen, wobei die anderen Kräfte eine Größenordnung darunter liegen. Beachten Sie, dass dies ein ziemlich großer Unterschalltunnel ist und kleinere Tunnel noch weniger messen können. Sie müssen die Ergebnisse entsprechend dem Modell skalieren. Die Luftgeschwindigkeit wird mit ~90 angegeben$ms^{-1}$.

Es gibt eine Reihe von im Windkanal gemessenen und beobachteten Dingen, die möglicherweise nur lose mit Kraftmessungen in Verbindung stehen, wie z.

Danke für die anderen Antworten. Der letzte Teil meiner Frage, dh welchen Sinn hat es, mit kleinen Modellen zu testen, die nicht mit der Reynolds-Zahl übereinstimmen, scheint durch die Grafik in dieser Antwort beantwortet zu werden :

^{Auftriebskoeffizient über Anstellwinkel für Modell- und Großflugzeuge, entnommen aus der Monographie von Joseph Chambers über das Testen mit Modellen ( Modellflug: Die Rolle dynamisch skalierter Freiflugmodelle zur Unterstützung der Luft- und Raumfahrtprogramme der NASA ).}

Dieses Diagramm zeigt, dass der Auftriebskoeffizient des Modells und des Flugzeugs in Originalgröße bei normalen Anstellwinkeln identisch sind; sie divergieren in steileren Winkeln (maximaler Auftrieb), wenn ein Stall unmittelbar bevorsteht (das Modell sackt leichter ab); und nach dem Stall wieder identisch werden. Selbst wenn sie am weitesten voneinander entfernt sind, unterscheiden sie sich nicht sehr (z. B. ist der Unterschied ein Faktor von 2 statt eines Faktors von 50).

Das Papier, dem diese Grafik entnommen wurde, enthält eine Fülle weiterer Informationen.

Auch dieses Video vom European Transonic Windtunnel erklärt, wie sie realistische Reynolds-Zahlen erreichen: durch Absenken der Temperatur (z. B. auf 110 K, dh -160 °C), durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff nach dem Kompressor, ohne Sauerstoff (der sich verflüssigen würde), und durch Erhöhung des Drucks (bis 4,5 bar).

Es behauptet 99% (und besser) Genauigkeit.

Die größten Modelle, auf die sie passen, haben eine Spannweite von etwa 1,6 Metern.