Versuch Aero 1. Fachhochschule Stralsund Fachbereich Maschinenbau Labor Fahrzeugaerodynamik. Prof. Dr.-Ing. H.Meironke Dipl.-Ing. T.

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1 achhochschule Stralsund achbereich Maschinenbau Labor ahrzeugaerodynamik Prof. Dr.-Ing. H.Meironke Dipl.-Ing. T. Panten Versuch Aero 1 "Umströmung von Körpern

2 1. Grundlagen 1.1. Ähnlichkeitsgesetze Da es nur in den seltensten ällen möglich ist, das Strömungsverhalten eines durchströmten oder umströmten Körpers auf rein theoretischem Wege zu ermitteln, erden in der Praxis häufig Versuche durchgeführt. Daraus läßt sich schon die große Bedeutung von Strömungsversuchen für die Industrie ableiten. Vor allem in der Automobilbranche, im lugzeugbau und im Schiffbau erden in besonderen Versuchseinrichtungen (Wasser-, Wind-, Schlepp- und Trudelkanäle) Untersuchungen an umströmten Körpern durchgeführt. Besitzt der zu untersuchende Körper zu große Ausmaße, ird ein maßstabgetreues Modell hergestellt. Die Modelle erden den verschiedenen Versuchsbedingungen unterorfen und die entstehenden Strömungseigenschaften, ie Geschindigkeit, Drücke, Kräfte, Stromlinienverlauf us. ermittelt. Zur Übertragung der Meßergebnisse vom Modell auf die Großausführung sind Übertragungsgesetze hinsichtlich der Geschindigkeiten, Abmessungen, Kraftirkungen und Stoffeigenschaften, ie Dichte und Zähigkeit von Bedeutung. Die Ähnlichkeitsgesetze sind besonders ichtig für die sinnvolle Interpretation und Ordnung der Versuchsergebnisse. Um zei ähnliche Strömungsvorgänge miteinander vergleichen zu können, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: Die Strömungsräume müssen geometrisch ähnlich sein. Die Strömungen müssen physikalisch ähnlich sein. Zu diesen Eigenschaften kommen noch thermische Eigenschaften, die aber bei Ähnlichkeitsbetrachtungen für inkompressible Strömungen keine Rolle spielen. Vollkommene Ähnlichkeit ist jedoch nicht zu erreichen, eshalb jeeils nur auf für den Vorgang esentliche Größen geachtet ird. Die Verknüpfung der einzelnen Größen der zu vergleichenden Strömungen geschieht üblichereise mittels dimensionsloser Kennzahlen. Von den zahlreichen im Gebrauch befindlichen Kennzahlen haben vor allem die Reynolds-Zahl und die roude-zahl eine große Bedeutung. Auf die Kennzahlen urde bereits in den theoretischen Grundlagen eingegangen Eigenschaften des reistrahls Im vorliegenden Versuch sollen die Untersuchungen am reistrahl durchgeführt erden. ür die Güte der Messungen ist die orm des Strahls maßgebend. Nur in einem gesunden Versuchsluftstrom kann man brauchbare Ergebnisse erzielen. Ein Gleichrichter in der Rohrleitungsstrecke beirkt einen glatten und drallfreien Luftstrahl. Version SS

3 Durch die Strahleinschnürung in einer Düse am Luftaustritt ird der Luftstrom eiter geglättet, d.h. durch eine starke Beschleunigung des Stroms erzielt man eine örtliche Gleichmäßigkeit der Geschindigkeit. Das Kontraktionsverhältnis sollte idealereise 3 bis 4 betragen, ist im vorliegenden all durch die besonderen Gegebenheiten aber nicht möglich. Die Düse besitzt kurz vor der Austrittsebene eine schache Ereiterung, um eine Konzentration des reistrahls kurz hinter der Düsenmündung zu vermeiden. Mit einfachen Mitteln (Seidenfäden, adenkamm, lammensonde, Drallprüfer) läßt sich eine Prüfung des Strahls durchführen. olgende Messungen geben Aufschluss über die Beschaffenheit des reistrahls Ermittlung der irbelfreien Kernzone Geschindigkeitsverteilung und Druckverlauf. Der reistrahl soll die Messstrecke möglichst drallfrei und mit konstanter Geschindigkeit über dem Strahlquerschnitt und in axialer Richtung durchströmen. Die den Strahl umgebende ruhende Luft ird im Randgebiet des Windstroms mitgerissen, man spricht von der Auflösung des Strahlrandes. Das Störungsgebiet (die turbulente Zone) zischen dem gesunden reistrahl und der ihn umgebenden, ruhenden Luft im Messraum ist durch Kegelmäntel nach außen und innen begrenzt. Das ungestörte Arbeitsfeld des Strahls für die Messungen ird durch die turbulente Vermischung im Grenzgebiet eingeschränkt, die reistrahllänge ist begrenzt. Die Messstrahllänge ist somit abhängig von der Düsengröße. Ein geeignetes Gerät zur Ermittlung der Kernzone des reistrahls ist ein Reihendruckgeber in Verbindung mit einem Vielfachmanometer. Abb. 1: Reihendruckgeber und Vielfachmanometer Version SS

4 Der Reihendruckgeber dient zur schnellen und gleichmäßigen Bestimmung zahlreicher Staudrücke bz. Geschindigkeiten im offenen Strahl. Er setzt sich aus einer großen Anzahl Pitotröhrchen zusammen. Durch die Kombination mit dem Vielfachmanometer ist auf einfache Weise die Kurve des Druckverlaufs erkennbar. Durch Messung der Drücke in verschiedenen Abständen von der Düse ergibt sich folgendes Strömungsbild Ermittlung der Kernzone des Strahls. Abb. 2: Strahlausbreitung eines reistrahles Version SS

5 1.3. Strömungsbilder Stromlinien dienen zur Veranschaulichung von Strömungsbildern. Sie verlaufen knickfrei und ohne sich gegenseitig zu schneiden. Abb. 3: Umströmter Körper Das Strömungsbild eines umströmten Körpers hängt vor allem von der Körperform ab. Bei schlanken, platten- oder stromlinienförmigen Körpern schließt sich die Strömung an der hinteren Körperkante ieder zusammen. Bei gedrungenen oder kantigen Körpern tritt hinter dem Körper ein mehr oder minder ausgedehntes Totassergebiet auf. Abb. 4: Umströmung von Körpern Version SS

6 1.4. Widerstandsproblem Der Widerstand, den ein Körper dem Luftstrom entgegensetzt, ist sehr esentlich von der Körperform abhängig. Deshalb kann man aus dem Strömungsverlauf Rückschlüsse auf den Widerstand des Körpers ziehen. Der Widerstand von verschiedenen Körpern gleichen Querschnitts ist verschieden groß. Der Unterschied ist dabei recht erheblich. Abb. 5: Widerstand abhängig von der orm Beträgt der Widerstand einer Kreisscheibe 100 %, so ist der Widerstand einer offenen Halbkugel 126 % und der eines Stromlinienkörpers 8 %.Die Quellen des Widerstandes liegen in der Größe und Ausbildung der Stau- und Soggebiete vor und hinter dem Körper dem Verlauf der Stromlinien in der Umgebung der Körper dem mehr oder eniger verirbelten Strömungsfeld und den auf der Sogseite entstehenden Wirbeln. Der Gesamtiderstand eines umströmten Körpers setzt sich aus den Komponenten zusammen. ormiderstand (Druckiderstand) Reibungsiderstand (Oberflächeniderstand) In der Regel irken beide Arten von Widerständen zusammen. Der ormiderstand überiegt in den meisten ällen den Reibungsiderstand um ein Vielfaches, außer bei langgestreckten Körpern, ie z. B. bei Platten, die in Strömungsrichtung liegen, bei Schiffskörpern us. Die Trennung des Widerstandes in orm- und Reibungsiderstand kann man nur durch Druckmessung und Rechnung herbeiführen. Durch die Druckmessung erhalten ir den reinen ormiderstand. Die Größe des Gesamtiderstandes kann man durch Messung mittels Komponentenaage bestimmen, die Differenz ergibt den Reibungsiderstand. Bei den üblichen Widerstandsmessungen in Wind-, Schleppkanälen us. ird meistens der Gesamtiderstand gemessen. Version SS

7 Er ist abhängig von der Größe des Staudrucks p dyn der Größe der Anströmfläche A St der Größe des Widerstandsbeiertes c, der den Einfluß der Körperform berücksichtigt. Das Produkt dieser Größen ist nach der Dimension eine Kraft, die Widerstandskraft. Sie errechnet sich nach Gleichung 1 = c p A (Gl.1) dyn St Der Staudruck läßt sich darin nach Gleichung 2 ermitteln. p 2 dyn = ρ (Gl. 2) 2 Dadurch ergibt sich letztlich Gleichung 3 = c ρ 2 2 A St (Gl.3) Die Widerstandsziffer c hängt bei stumpfen, kantigen Körpern mit gleichbleibendem Totassergebiet, d.h. bei Körpern mit scharfen Kanten an der Ablösestelle, nur von der Körperform ab (Anhang). Bei runden, tropfenförmigen oder stromlinienförmigen Körpern hängt c auch von der Reynolds-Zahl ab, da die Lage des Ablösepunktes sich mit der Reynolds-Zahl ändert (Anhang). Die angegebenen Werte gelten für völlig frei umströmte Körper. Befindet sich ein Körper in einem Kanal, z.b. ein ahrzeug in einem Tunnel, so erhöht sich der Gesamtiderstand beträchtlich. Abb. 6: Luftkräfte an ahrzeugen Der entgegengesetzt zur ahrtrichtung irkende Luftiderstand von ahrzeugen setzt sich aus dem Druckiderstand, dem Reibungsiderstand und dem Widerstand zum Durchströmen von Kühlern, Lüftern us. zusammen. Der Einfluss des Druckiderstandes ist dabei überiegend. Version SS

8 1.5. Luftiderstand eines ahrzeuges Die Berechnung erfolgt nach Gleichung 3. Der c -Wert (Anhang) hängt im esentlichen von der Körperform ab, die Reynolds-Zahl spielt praktisch keine Rolle. Die zur Überindung des Luftiderstandes erforderliche Leistung ergibt sich nach Gleichung 4 P = (Gl.4) Mit Gleichung 3 folgt daraus Gleichung 5 P = c ρ 2 3 A St (Gl.5) Das heißt, bei einer Verdopplung der Geschindigkeit vervierfacht sich der Luftiderstand und verachtfacht sich die dazu erforderliche Leistung. Der Auftrieb irkt senkrecht zur ahrtrichtung und berechnet sich analog zur Widerstandskraft A = c A ρ 2 2 A St (Gl.6) Abb. 7: Auftrieb am ahrzeug Die Auftriebsbeierte c A liegen eta in folgenden Bereichen: Pontonform c a < 0, ,32 Stromlinienform c a < 0, ,33 Bus-und Kombiform c a < 0, ,21 Durch den Auftrieb vermindert sich die durch das ahrzeuggeicht auf die Straße irkende Aufpreßkraft erheblich. Der Verlust an Aufpreßkraft kann bei großen Geschindigkeiten bis zu 8 % betragen. Tritt zusätzlich zu der Anblasegeschindigkeit f noch Seitenind auf, so ird das ahrzeug schräg angeblasen. Version SS

9 Abb. 8: Seitenindkraft am ahrzeug Die Seitenindkraft berechnet sich zu s = c s ρ 2 2 A St Der Beiert c s ändert sich stark mit dem Winkel α = arctan S und kann ie folgt angesetzt erden: (Gl.7) (Gl.8) Winkel α c 0,2 0,4 0,6 0,75 0,9 1,0 S Beim Auftreten von Seitenind ändert sich auch der Auftriebsbeiert c a und zar eta quadratisch mit dem Anströminkel a. Bei α = 30 kann c a bis auf 1,0 ansteigen. Version SS

10 2. Versuchsaufbau Der Versuch ird mit einem Radialventilator an einer Rohrleitungsstrecke NW 150 durchgeführt. Der Meßgegenstand befindet sich bereits in einem reistrahl. Der Versuchsstand besteht aus folgenden Elementen: - Ventilator d = 160 mm (1) d e = 160 mm d a = 150 mm - Rohrstrecke NW 150 (2) - Partikelgenerator (3) - Windkanalaage (4) - Anzeigegerät für die Messerte (5) - Prüfkörper (6) - Traversiertisch (7) - Lasersonde (8) - Laser (9) - Stromversorgung mit Multimeter (10) - Auserte und Steuerelektronik (11) - Messertrechner (12) - Stroboskop (13) Abb. 9: Skizze des Versuchsstandes Version SS

11 3. Versuchsdurchführung -Inbetriebnahme des Versuchstandes nach den Aneisungen des Laborleiters/- ingenieurs Ermittlung der Widerstandskräfte Die Bestimmung der Widerstandskraft und des c - Wertes erfolgt in Abhängigkeit von der Anströmfläche und der Anströmgeschindigkeit Teilversuch 1 Messerte: Lufttemperatur t 0 [ C] Luftdruck p 0 [bar] Ventilatorleistung P V [kw] Drehzahl n V [l/min] Austrittsgeschindigkeit a [m/s] Prüfkörper Durchmesser d PK [mm] Masse m PK [g] Widerstandskraft [g] Aufprallgeschindigkeit PK [m/s] Die Aufnahme der Messerte für die Widerstandkraft erfolgt bei verschiedenen Anströmflächen (Prüfkörper Kreisscheibe 1 und Kreisscheibe 2) und drei unterschiedlichen Geschindigkeiten. Die Drehzahleinstellung erfolgt durch die Voreinstellung der requenz an einem Potentiometer und die Einstellung des Volumenstromes und somit der Geschindigkeit mittels einer Ringmessblende. Version SS

12 Teilversuch 2 In diesem Teilversuch erden die Widerstandskraft und der c - Wert in Abhängigkeit von der Körperform und der Oberflächenbeschaffenheit aufgenommen. - Messerte Prüfkörper Durchmesser d PK [mm] Masse m PK [g] Widerstandskraft [g] Aufprallgeschindigkeit PK [m/s] Aufnahme der Messerte für die Widerstandkraft bei verschiedenen Körperformen (Kugel, Tropfen, Halbrund) und Oberflächenbeschaffenheiten (Glatt und Rauh) erfolgt bei jeeils drei unterschiedlichen Geschindigkeiten. Die Drehzahleinstellung erfolgt durch die Voreinstellung der equenz an einem Potentiometer und die Einstellung der Geschindigkeit mittels einer Ringmessblende. Ergänzung der fehlenden Werte: Körper Abmessungen in mm Geicht in g Tropfen ohne Beschichtung 120 * Ø Tropfen mit Beschichtung 120 * Ø Kugel 0 Ø Halbrund 50*50 38 Scheibe 1 Ø Scheibe 2 Ø Version SS

13 3.2. Ausertung der Ergebnisse Teilversuch 1 Aus den Messerten sind zu berechnen und in übersichtlicher orm darzustellen: - Luftdichte ρ 0 [kg/m 3 ] mit den Werten für den Normzustand ρ N = l,225 kg/m 3, p N = 1013,25 und T N = 273,15 K - Kennerte der Prüfkörper - Staudruck p dyn [bar] - Anströmfläche A ST [mm 2 ] - c - Werte c [-] - Leistung P [W] Es sind die unktionen c =f(a St ), = f() und P = f() darzustellen. Teilversuch 2 Aus den Messerten sind die Kenngrößen zu ermitteln und in tabellarischer orm darzustellen. Die c - Werte sind in Prozent anzugeben enn die Kugel 100 % darstellt. -Kennerte der Prüfkörper - Staudruck p dyn [bar] - Anströmfläche A ST [mm 2 ] - c - Werte c [-] - Leistung P [W] Es ist ein Balkendiagramm c in % mit der unktion c = f (Körperform} darzustellen Diskussion der Ergebnisse Erläuterung der Kurvenverläufe Vergleich der ermittelten c -Werte mit den Richterten im Anhang Praxisbezug (im Teilversuch 3) Version SS

14 Anhang 1: Widerstandsziffern von umströmten Körpern Version SS

15 Anhang 2: Widerstandsziffern von umströmten Körpern Version SS

16 Anhang 3: Widerstandsbeierte von ahrzeugen Version SS