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Einleitung

Um z. B. die Frage ”Warum fliegt ein Flugzeug?” experimentell zu erarbeiten, wird in der Lehre oft die Hydrodynamik, bspw. ein Wassermodell, herangezogen. Trotz des Medienwechsels von Gasen zu Flüssigkeiten lassen sich analoge Phänomene beobachten. Es besteht aber die Gefahr, dass diese Analogie von den Lernenden nicht hinreichend nachvollzogen wird. Im Folgenden wird die Experimentieranordnung eines Nebelwindkanals aus low-cost Bauteilen vorgestellt, in der dieser Medienwechsel nicht notwendig ist. Strömungsbilder von selbstgebauten Flugzeugprofilen können darin genauso wie rotierende Zylinder beobachtet werden. Es werden im Folgenden Beispiele dieser Visualisierung von Umströmungen verschiedener Körper detailliert vorgestellt. Vergleiche mit typischen Lehrbuchabbildungen und Hinweise zur Theorie des Fliegens und der Wirbelbildung entnehmen sie bitte der Publlikationsliste.

Publikationen zum Thema und Download:

 

Uhlmann, St.; Priemer, B. (2007): Konstruktion eines Nebelwindkanals zur Erzeugung von Strömungsbildern. In: Nordmeier, V.; Oberländer, A. (Hrsg.): Didaktik der Physik - Regensburg 2007. Berlin: Lehmanns Media in Druck

Priemer, B. & Schmidt, T. (2007). Aerodynamic experiments with an observable air flow: a fog-wind-tunnel. Physics Education 42, 365-368.

Priemer, B. & Schmidt, T. (2008). Ein Nebelwindkanal im Selbstbau: einfache Erzeugung von Stromlinien und Messung von Strömungsgeschwindigkeiten. Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, in Druck.

Aufbau des Windkanals

Der Nebel zur Visualisierung der Strömungen um Körper wird mittels eines Ultraschallzerstäubers in einem Wasserbad erzeugt. Dieses befindet sich in einem T-Stück der Rohrleitungen des Zirkularwindkanals. Der Ultraschallzerstäuber stammt aus einem handelsüblichen Raumdecoluftbefeuchter. Der generierte Nebel wird durch einen in der Drehgeschwindigkeit regulierbaren Computerlüfter beschleunigt und trifft auf parallel in zylinderform angeordnete Strohhalme. Zweck dieser Strohhalme ist es, die Turbulenzen zu unterdrücken. Nach den Strohhalmen trifft die Strömung auf ein beheizbares Gitter. Anschließend passiert der Nebel den Experimentierbereich (ca.40 cm). In diesem Bereich ist das Rohr zur Hälfte aufgeschnitten und wird in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung durch eine LED-Lichtleiste beleuchtet. Die LED-Lichtleiste besteht insgesamt aus 96 Einzel-LEDs mit kleinem Beleuchtungswinkel. In den Experimentierbereich können die zu untersuchenden Objekte unproblematisch eingebracht werden. Dazu ist kein Abschalten des Gebläses oder Ähnliches nötig. Nach der Umströmung des Objektes bewegt sich der Nebel wieder in Richtung des Computerlüfters, wo er erneut beschleunigt wird und sich mit dem neu generierten Nebel vermischt. Über eine Regulierung des Computerlüfters sind Strömungsgeschwindigkeit von bis zu Vmax = 2 m/s möglich. Die nachfolgenden Bilder wurden bei Geschwindigkeiten von ca. 0,5 m/s erhalten.

Umströmte Flügelprofile

In der Abbildung wurde ein positiver Anstellwinkel von ca. 10° gewählt. Es ist zu erkennen, dass sich im Bereich hinter dem Flügelprofil ein so genannter Anfahrwirbel ausbildet. Bilder weiterer Anstellwinkel und den Vergleich zu theoretisch berechneten Bildern entnehmen sie bitte den oben aufgelisteten Publikationen.

 

 

 

 

 

Umströmte Zylinder

Die Abbildung zeigt einen Zylinder im Windkanal. Hinter dem Zylinder sind deutlich ausgeprägt zwei gegeneinander nach Innen drehende Wirbel zu erkennen.

 

 

 

 

 

 

Umströmte sich drehende Zylinder

Wird der Zylinder in Drehung versetzt, so kann der Magnuseffekt visualisiert werden. Sowohl beim linksdrehenden als auch beim rechtsdrehenden Zylinder (siehe Publikationen) bilden sich im Gegensatz zum stehenden Zylinder an den o.g. Stellen keine Wirbel aus. Es ist dagegen eine starke Strömungsablenkung noch oben bzw. unten (je nach Drehrichtung) zu beobachten.

 

 

 

 

 

 

Umströmte Platten

In der Theorie findet man weiterhin oft Bilder der so genannten Karmanschen Wirbelstraße, die bei senkrecht bzw. schräg gestellten Platten in Strömungen zu beobachten ist. Bei relativ kleinen Geschwindigkeiten dieses Windkanals gelingt es, diese sichtbar zu machen.Die Karmannsche Wirbelstraße zeichnet sich dadurch aus, dass sich örtlich und zeitlich versetzt gegeneinander drehende Wirbel entlang einer Straße ausbilden.

 

 

 

Umströmte Kanten

Das Strömungsbild einer Ausströmung aus einem Rohr bzw. aus einer Einengung ist in der Abbildung zu sehen. An den Seiten zeigen sich in Raumbereiche hineinbewegende gegeneinander drehende Wirbel.
Ein sehr ähnliches Bild zeigt eine umströmte Kante im Windkanal (siehe Publikationen).

 

 

 

 

 

Randwirbel an einer Tragfläche

Die Strömungsbilder der bisherigen Objekte sind durch frontales Fotografieren des Experimentierbereichs entstanden. Um das nächste Phänomen zu beobachten, muss der Blickwinkel ein wenig geändert werden. In der Abbildung wurde seitlich in den Experimentierbereich hinein fotografiert. Zudem wurde durch einen Blitzschacht (rechts) eine Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung hinter dem Flügelprofil (in der Abbildung links) beleuchtet. Diese Ebene ist durch den weißen Halbring an der Experimentierbereichsrückwand in der Bildmitte zu erkennen.

 

 

 

 

Weitere umströmte Objekte

Lediglich die Dimension des Windkanals beschränkt die Möglichkeit der zu untersuchenden Objekte. Auch ganz andere als die hier genannten Objekte lassen sich in den Nebelwindkanal einbringen. So kann man z.B. die Strömungsbilder von Automodellen miteinander vergleichen oder die Umströmung eines Modells eines Flugzeugrumpfs auf Turbulenzen untersuchen. (Bilder siehe Publikationen)

Quantitative Messungen

Mittels eines Hitzdrahtanemometers lässt sich das Strömungsfeld um eine Tragfläche – bei Betrieb des Kanals ohne Nebelerzeugung – ebenfalls quantitativ bestimmen. Hierzu wurde eine Tragfläche in den Kanal eingebracht und die Geschwindigkeiten oberhalb und unterhalb dieser entlang einer gedachten Linie quer durch den Kanal auf Höhe der Mitte des Profils mit 1250 Einzelmessungen bestimmt. Werden diese Werte schließlich von der Messung ohne Objekt abgezogen, so erhält man die Windgeschwindigkeitsänderungen, die durch die Tragfläche hervorgerufen werden.Die Geschwindigkeitsänderungen sind für die verschiedenen Orte der Messgerade im rechten Teil der Abbildung eingezeichnet. Deutlich zu erkennen ist die größere Geschwindigkeit der Luft auf der oberen und die geringere auf der unteren Seite des Profils.

Zweidimensionales Geschwindigkeitsfeld

Tastet man schließlich das gesamte zweidimensionale Geschwindigkeitsfeld um eine Tragfläche herum mit dem Messfühler in 19126 Einzelmessungen ab (experimentell wurde hierzu ein Messarm per Controller gesteuert), so kann dieses Feld graphisch dargestellt und mit dem realen Bild verglichen werden. Die unterschiedlichen Schattierungen in der Abbildung repräsentieren unterschiedliche Geschwindigkeiten. Auch anhand dieses Bildes kann abgelesen werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit für einen Teilbereich oberhalb der Tragfläche größer ist als unterhalb. Weiterhin zeigen sich deutlich geringere Geschwindigkeiten oberhalb des rechten Teils des Profils, an der Stelle, an der Wirbel zu erwarten sind.

Der Magnus-Effekt quantitativ

Die Abbildung zeigt den Sachverhalt aus 860 Einzelmessungen mit dem Hitzdrahtanemometer über und unter dem rotierenden Zylinder entlang einer gedachten Linie, die senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zur Symmetrieachse des Zylinders verläuft. Dargestellt ist die Geschwindigkeit um das Objekt im Windkanal. Es lässt sich aus der Abbildung gut erkennen, dass die Strömungsgeschwindigkeit oberhalb des im Uhrzeigersinn drehenden Zylinders größer als unterhalb ist.