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Experimente im Windkanal

Filme


In dem ersten Film wird die Funktionsweise des Windkanals vorgestellt.



In dem zweiten Film wird untersucht, ob signifikante Abweichungen der Messwerte in Kanalmitte und -boden bestehen. Zu diesem Zweck wird eine runde Metallscheibe einmal in der Mitte des Windkanals und einmal am Boden - quasi in Fahrzeughöhe platziert. Die Rücktreibende Kraft wird verglichen.
Idealerweise sollte die Luftströmung im Querschnittsprofil eines Windkanals konstant sein. In der Realität wird die strömende Luft jedoch an den Wänden des Kanals abgebremst.


In dem dritten Film geht es um die rücktreibende Kraft in Abhängigkeit der Objektform und -ausrichtung. Verglichen wird die Platte aus dem ersten Versuch mit einer Halb- bzw. Vollkugel.


Auch in dem vierten Film geht es um die rücktreibende Kraft in Abhängigkeit der Objektform. Hier wird das Projektfahrzeug im Windkanal "optimiert".


Die Fahrzeuggröße ist Untersuchungsobjekt im fünften Film.
Von Seiten der Automobilindustrie wird meist lediglich mit dem CW-Wert geworben. Diese Angabe ist jedoch nur die halbe Wahrheit. Wie aus Formel [2.9] ersichtlich, geht zusätzlich die Frontfläche in die Rechnung ein. Kleinwagen sind hier also prinzipiell im Vorteil.


Was Fahren im Windschatten für die rücktreibende Kraft, besonders für das hinterher fahrende Fahrzeug bedeutet, wird im sechsten Film verdeutlicht.


Der Einfluss von Äußerlichkeiten ist Untersuchungsgegenstand des letzten Filmes...

Konstruktion des Windkanals

Gesamtansicht Eigenbau-Windkanal
Abbildung 1:


Einlass Windkanal
Abbildung 2:
Der Kanal besteht aus drei Teilen. Vor und nach der Messplatte strömt die Luft durch zwei 840mm lange Kästen aus Hartfaserplatten. Das Innenmaß des Strömungskanals beträgt 250 x 215mm. An den Klebestellen sind die Kästen mit Kiefernleisten 14 x 14mm verstärkt.
Prinzipiell gilt: Je länger die Luft strömt, bevor sie auf das Messobjekt trifft, um so länger ist die Zeit zum Abklingen von Turbulenzen d.h. um so laminarer ist der Luftstrom. Da der Propeller den Luftstrom in Rotation versetzt, ist auch ein möglichst langer Strömungskanal nach der Messplatte von Vorteil.
Gebläse des Windkanals
Abbildung 3:
Der Wind wird von einem Elektromotor der 700er-Klasse erzeugt. An diesem ist ein Planetengetriebe mit einer Übersetzung von 3,3:1 angeflanscht und damit wird ein Propeller der Abmessung 12 x 6 Zoll = 30,5 x 15,2cm angetrieben.
Der Motor ist mittig in einem Käfig aus Drahtstreben der Stärke 3mm untergebracht. Die Streben sind mit Weichlot verlötet.
Verkleidet ist die Konstruktion mit Frischhaltefolie.
Der Motor pustet die Luft nicht in den Kanal hinein, sondern saugt diese ab. Der Propeller erzeugt auf seiner Rückseite nämlich sehr starke Verwirbelungen.
Batterie zum Antrib des Gebläses
Abbildung 4:
Als Energiequelle dient eine handelsübliche Autobatterie mit 12V Spannung. Der Anschluss an den Polen erfolgt mit zusammengelöteten Kupferringen.
Schalter am positiven Batteriepol
Abbildung 5:
Am Pluspol ist der "Schalter" angebracht.
Gitter an der Rückseite des Windkanals
Abbildung 6:
Aus 2mm starken Depron-Platten (Schaumstoff) besteht das Gitter direkt am Ende des Tunnels, vor dem Propeller. Damit wird der Luftstrom am Rotieren in Propellerrichtung gehindert und somit beruhigt.
Ein weiterer Vorteil dieses Gitters liegt in der Schutzfunktion. Es verhindert, dass umherfliegende Windkanalmodelle im Propeller geschreddert werden.
Messkammer Windkanal
Abbildung 7:
Die Messkammer besteht aus 4mm starkem Plexiglas, das an den Klebeflächen mit Aluprofilen verstärkt ist. Die Aluprofile stehen an den Ecken circa 30mm über, um die Hartfaserkästen einschieben zu können.
Die Messplatte ist so eingepasst, dass diese möglichst genau auf Höhe der Bodenplatten der beiden Hartfaserkästen liegt. Eine Kante an dieser Stelle sorgt für Turbulenzen und diese gilt es zu vermeiden.
Kugellager an Bodenplatte Messkammer
Abbildung 8:
Kugellager an den vier Eckpunkten der Messplatte sorgen dafür, dass diese nur mit geringem Widerstand an den Innenwänden entlang gleitet. Die Kugellager habe ich aus zwei alten Festplatten entnommen.
Messkammer des Windkanals
Abbildung 9:
Die Messkammer ist 400mm lang.
Die Messplatte ist als Pendel aufgehängt. Die rückstellende Kraft wird somit durch die Gewichtskraft verursacht. Je länger das Pendel ist, um so empfindlicher ist die Messanordnung. Das Holzgestell ist über der Messkammer angebracht, um die Pendellänge auf 570mm zu vergrößern.
Zusatzgewichte für Messanordnung
Abbildung 10:
Ein weiterer Vorteil der Pendelaufhängung liegt darin, dass die Empfindlichkeit der Anordnung durch Anbringen von Zusatzgewichten schnell verändert werden kann. Die Gewichte sollten dabei gleichmäßig auf beiden Seiten der Messkammer angebracht werden.
Pendelaufhängung
Abbildung 11:
Die Pendelaufhängung besteht unten aus einer Schlaufe und oben aus durchbohrten M10er Gewindestangen. Damit ist eine stufenlose Höhenverstellung möglich.
Rücktreibende Kraft am Pendel
Abbildung 12:
Berechnung der Rückstellkraft eines Pendels:
In dem Bild links entspricht die Strecke c in dem oberen Dreieck der Pendellänge und die Strecke b der Auslenkung. Nach dem Satz von Pythagoras ergibt sich die Seite a zu:
a2 + b2 = c2
oder
a = √(c2 - b2)
In dem unteren Dreieck entspricht der rote Pfeil der Gewichtskraft (FG) und der grüne Pfeil der rückstellenden Kraft (FR). Die beiden Dreiecke sind ähnlich, woraus folgert:
a / b = FG / FR
oder
FR = b * FG / a
oder
FR = b * FG / √(c2 - b2)

Aus obiger Formel sind folgende Sachverhalte abzulesen:
1.) Mit steigender Auslenkung steigt die rückstellende Kraft.
2.) Mit steigendem Pendelgewicht (=Messplatte + Modellauto + Zusatzgewichte) steigt die rückstellende Kraft und somit sinkt die Empfindlichkeit der Messanordnung.

Zeiger an Plattform der Messkammer
Abbildung 13:
Der Messzeiger soll die kleine Auslenkung der Bodenplatte in einen möglichst großen Ausschlag umsetzen. Daher ist ein kurzer Hebel mit der Aufhängung der Bodenplatte verbunden. Die Verbindung besteht aus einem Stück transparenten Kunststoffes (Verpackungsmaterial) und sollte möglichst spielfrei ausgeführt sein. Der Zeiger ist an einem Kugellager (alte Festplatte) gelagert und mit Gewichten ausbalanciert.
Soweit die Konstruktionsdetails des verwendeten Windkanals. Absolutwerte kann ich mit dieser Anordnung nicht gewinnen (ich habe keine Eichung vorgenommen), aber es lassen sich einige Sachverhalte hiermit darstellen. Zumindest der Vergleich zweier Messobjekte ist möglich.

Teileliste

Anzahl Material Gesamtpreis Bezugsquelle
2 Hartfaserplatten
840 x 550 x 2mm
12,-€ Baumarkt
4 Kiefernleisten
14 x 14 x 2500mm
7,-€ Baumarkt
1 Plexiglasplatte
40 x 1250 x 4mm
20,-€ Baumarkt, Restekiste
1 Aluprofil
14 x 14 x 2000mm
8,-€ Baumarkt
1 Gewindestange
M10 x 1000mm
5,-€ Baumarkt
1 Eisendraht
3mm
??,-€ Baumarkt
1 Depronplatte
800 x 2000 x 2mm
2,-€ Baumarkt
1 Elektromotor
700er Klasse
20,-€ Modellbaufachgeschäft
1 Planetengetriebe
3,3:1
30,-€ Modellbaufachgeschäft
5 Kugellager 0,-€ Defekte Festplatte

Nachbau mit cleveren Ideen

Zeiger an Plattform der Messkammer
Abbildung 14 (c) Marc Winters:
Marc aus Seattle, Washington hat mein Design verbessert und diesen Windkanal als Demonstrationsobject für eine Schulklasse gebaut.
Als Ventilator kommt ein Industriegebläse mit einem Durchmesser von 24 inch zum Einsatz, das in 3 Stufen bis zu 3250 Cubic Feet per Minute (CFM) umsetzt.
Zeiger an Plattform der Messkammer
Abbildung 15 (c) Marc Winters:
Die sehr schön gestalteter Anzeige arbeitet gut und die Empfindlichkeit ist so hoch, dass selbst kleine Änderungen in Form und Größe von Objekten messbar sind.
Zeiger an Plattform der Messkammer
Abbildung 16 (c) Marc Winters:
Nur logisch, dass solch ein Messwerkzeug einen Preis verdient:
Unter 64 Mitbewerbern ist es der 2. Platz geworden - ich gratuliere!


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