Turbulence Sphere-Methode: Bewertung der Strömungsqualität im Windkanal

Bei aerodynamischen Tests sind Windkanäle von unschätzbarem Wert, um die aerodynamischen Eigenschaften verschiedener Objekte und skalierter Flugzeuge zu bestimmen. Die Windkanaldaten werden erzeugt, indem ein kontrollierter Luftstrom an ein Testmodell angelegt wird, das innerhalb der Teststrecke montiert ist. Das Testmodell weist in der Regel eine ähnliche Geometrie auf, jedoch in einem kleineren Maßstab im Vergleich zum realen Objekt.

Um die Nützlichkeit der in Windkanaltests generierten Daten zu gewährleisten, müssen wir die dynamische Ähnlichkeit zwischen dem Strömungsfeld des Windkanals und dem tatsächlichen Strömungsfeld über dem realen Objekt sicherstellen. Um die dynamische Ähnlichkeit zu wahren, muss die Reynolds-Zahl des Windkanalexperiments mit der Reynolds-Zahl des zu testenden Strömungsphänomens übereinstimmen.

Experimente, die im Windkanal oder in der freien Luft durchgeführt werden, können jedoch auch bei gleicher Reynolds-Zahl aufgrund der Auswirkungen von Freistromturbulenzen innerhalb der Windkanal-Teststrecke zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Diese Unterschiede können als eine höhere effektive Reynoldszahl für den Windkanal wahrgenommen werden. Wie lassen sich also Tests im Windkanal mit Freiluftexperimenten in Beziehung setzen?

Wir können die Intensität der Freistromturbulenzen im Windkanal anhand eines wohldefinierten Objekts mit bekanntem Strömungsverhalten abschätzen, wie z.B. einer Kugel. Diese Methode wird als Turbulenzsphärenmethode bezeichnet. Die Turbulenzsphärenmethode beruht auf der gut untersuchten Bedingung, die als Kugelwiderstandskrise bezeichnet wird.

Die Kugelwiderstandskrise beschreibt das Phänomen, bei dem der Luftwiderstandsbeiwert einer Kugel plötzlich abfällt, wenn die Reynoldszahl einen kritischen Wert erreicht. Wenn die Strömung die kritische Reynoldszahl erreicht, geht die Grenzschicht sehr nahe der Vorderkante der Kugel von laminar zu turbulent über. Dieser Übergang führt im Vergleich zur Strömung bei niedriger Reynoldszahl zu einer verzögerten Strömungstrennung und einem dünneren turbulenten Nachlauf und damit zu einem verringerten Widerstand.

Daher können wir den Luftwiderstandsbeiwert einer Kugel bei einem Bereich von Test-Reynoldszahlen messen, um die kritische Reynoldszahl zu bestimmen. Dies ermöglicht es uns, den Turbulenzfaktor zu bestimmen, der die Reynoldszahl des Tests mit dem Effektiven der Reynoldszahl korreliert.

In diesem Experiment werden wir die Turbulenzkugelmethode anhand eines Windkanals und mehrerer verschiedener Turbulenzkugeln mit eingebauten Druckhähnen demonstrieren.

Bei diesem Experiment werden ein aerodynamischer Windkanal sowie mehrere Turbulenzkugeln mit unterschiedlichem Durchmesser verwendet, um das Turbulenzniveau der Freiströmung in der Tunnelteststrecke zu bestimmen. Die Turbulenzkugeln, jeweils mit einem Druckhahn an der Eintrittskante sowie 4 Druckhähnen mit der Position 22,5? von der Hinterkante aus, haben gut definierte Strömungseigenschaften, die uns helfen, Turbulenzen im Windkanal zu analysieren.

Um das Experiment einzurichten, schließen Sie zunächst das Staurohr des Windkanals an den Anschluss Nummer 1 des Druckscanners an. Verbinden Sie dann den statischen Druckanschluss des Windkanals mit Anschluss Nummer 2. Sperren Sie nun das externe Gleichgewicht. Fixieren Sie die Kugelstrebe in der Gleichgewichtsstütze im Windkanal.

Installieren Sie dann die 6-Zoll-Kugel. Verbinden Sie den Druckhahn an der Vorderkante mit dem Anschluss Nummer 3 des Druckscanners und verbinden Sie die vier hinteren Druckhähne mit Anschluss 4. Schließen Sie die Luftzuleitung an den Druckregler an und stellen Sie den Druck auf 65 psi ein. Verbinden Sie dann den Verteiler des Druckscanners mit der Druckleitung, die auf 65 psi geregelt ist.

Starten Sie das Datenerfassungssystem und den Druckscanner. Während das System äquilibriert, schätzen Sie den maximalen dynamischen Druck q max, der für den Test erforderlich ist, basierend auf der kritischen Reynolds-Zahl für eine glatte Kugel in der freien Luft.

Hier listen wir die empfohlenen Testparameter für den ersten und zweiten Test jeder Kugel auf. Definieren Sie nun anhand dieser Parameter den dynamischen Druckprüfbereich von null bis q max, und definieren Sie dann die Prüfpunkte, indem Sie den Bereich in 15 Intervalle unterteilen.

Bevor Sie das Experiment durchführen, lesen Sie den Luftdruck im Raum ab und notieren Sie den Wert. Lesen Sie auch die Raumtemperatur ab und notieren Sie deren Wert. Wenden Sie die Korrekturen auf den Luftdruck unter Verwendung der Raumtemperatur und der Geolokalisierung unter Verwendung von Gleichungen an, die vom Hersteller des Manometers bereitgestellt werden.

Richten Sie nun die Datenerfassungssoftware ein, indem Sie zunächst das Scanprogramm öffnen. Schließen Sie dann die Software DSM 4000 an, die das Signal vom Drucksensor liest und kalibriert, indem Sie die richtige IP-Adresse festlegen und auf "Verbinden" drücken. Geben Sie die vom Hersteller definierten Befehle wie abgebildet ein und denken Sie daran, nach jedem Befehl die Eingabetaste zu drücken.

Nachdem die Software fertig ist, stellen Sie sicher, dass die Teststrecke und der Windkanal frei von Schmutz und losen Teilen sind. Schließen Sie dann die Türen der Teststrecke und überprüfen Sie, ob die Geschwindigkeit des Windkanals auf Null eingestellt ist. Schalten Sie den Windkanal und dann das Kühlsystem im Windkanal ein.

Beginnen Sie bei einer Windgeschwindigkeit von Null mit der Datenaufzeichnung im Datenerfassungssystem und geben Sie dann den Befehl scan ein, um die Druckmessung zu starten. Notieren Sie dann die Temperatur im Windkanal. Da die Windgeschwindigkeit in direktem Zusammenhang mit dem Staudruck steht, erhöhen Sie die Windgeschwindigkeit, bis Sie den nächsten Staudruck-Testpunkt erreichen. Warten Sie dann, bis sich die Luftgeschwindigkeit stabilisiert hat, und beginnen Sie den Druckscan erneut. Achten Sie darauf, die Temperatur im Windkanal aufzuzeichnen. Setzen Sie das Experiment fort, indem Sie an jedem der dynamischen Druckpunkte einen Druckscan durchführen und jedes Mal die Temperatur im Windkanal aufzeichnen. Wenn alle Punkte für die 6-Zoll-Kugel gemessen wurden, wiederholen Sie das Stabilisierungs- und Druckscan-Experiment für die 4,987-Zoll- und 4-Zoll-Turbulenzkugeln.

Für jede Kugel haben wir den Stagnationsdruck am Druckanschluss 3 und den Druck an den hinteren Anschlüssen über den Druckanschluss 4 gemessen, die subtrahiert werden, um die Druckdifferenz Delta P zu erhalten. Wir haben auch den Gesamtdruck der Prüfstrecke Pt aus dem Druckanschluss eins und den statischen Druck Ps aus dem Druckanschluss zwei gemessen, die zur Bestimmung des dynamischen Prüfdrucks q verwendet werden.

Dann können wir den normierten Druck berechnen, der gleich der Druckdifferenz dividiert durch den dynamischen Druck ist. Auch der Luftdruck und die Strömungstemperatur wurden erfasst, so dass die Strömungseigenschaften berechnet werden konnten. Zur Erinnerung: In der Testsektion befindet sich ein Schlitz, was bedeutet, dass sie für die Umgebungsluft offen ist. Unter der Annahme, dass es in der Prüfstrecke keinen strömungsbezogenen Druckgradienten gibt, kann daher der Absolutwert des lokalen statischen Drucks der Freistromströmung als Umgebungsluftdruck verwendet werden.

Die Dichte wird nach dem idealen Gasgesetz und die Viskosität nach der Sutherland-Formel ermittelt. Sind die Luftdichte und die Viskosität bestimmt, können wir die Reynoldszahl berechnen. Hier zeigen wir ein Diagramm der Reynolds-Zahl im Vergleich zur normierten Druckdifferenz, Delta P über q.

Mit diesem Diagramm können wir die kritische Reynoldszahl für jede Kugel bestimmen, da die kritische Reynoldszahl einem normierten Druckwert von 1,22 entspricht. Mit jeder kritischen Reynoldszahl können wir den Turbulenzfaktor und die effektive Reynoldszahl auswerten. Der Turbulenzfaktor korreliert mit der Intensität der Turbulenzen im Windkanal.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie sich die Freistromturbulenzen auf die Erprobung im Windkanal auswirken. Anschließend verwendeten wir mehrere glatte Kugeln, um den Turbulenzfaktor und die Intensität der Windkanalströmung zu bestimmen und ihre Qualität zu bewerten.