Grenzschicht-Windkanalversuche – Eine Einführung

Einleitung

Geschrieben von Adam Kahraman

Seit der Erfindung des Windtunnels haben Ingenieure unzählige praktische Anwendungen dafür gefunden. Was als Werkzeug für die aerodynamische Forschung begann, wurde schließlich zu einem wichtigen Bestandteil der Flugzeugentwicklung, bevor es Anwendungen im Bauingenieurwesen fand. Dazu gehören die Untersuchung von Windlasten, strukturellen Bewegungen, Umwelteinflüssen und Prüfbedingungen, die für die Anforderungen der Bauvorschriften relevant sind.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über Studien in Windkanälen mit Grenzschicht (BLWT) und erläutert anschließend einige der Herausforderungen, denen Ingenieure bei der Simulation von natürlichem Wind gegenüberstanden. Der Artikel befasst sich dann mit den heute verfügbaren Technologien und Techniken, die Studien der atmosphärischen Grenzschicht ermöglichen.

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
2. Grenzschicht-Windkanalversuche im Bauingenieurwesen
   
3. Was ist die atmosphärische Grenzschicht?
   
4. Versuchsplanung für Grenzschicht-Windkanäle
   1. Windeffekte auf Bauwerke
   2. Umwelteffekte auf Bauwerke
5. Wie funktioniert ein Windkanal mit atmosphärischer Grenzschicht?
6. Wie erzeugt man eine atmosphärische Grenzschicht mit einer Windwand?
7. Fazit

Abbildung 1: 3D-Modell eines WindShapers, der zum Testen von Gebäudemodellen im Maßstab verwendet wird

Grenzschicht-Windkanalversuche im Bauingenieurwesen

Einige der frühesten dokumentierten Versuche zur Untersuchung der Auswirkungen von Luft auf Objekte stammen aus den Jahren 1742 und 1759. Wissenschaftler führten diese Tests durch, indem sie Objekte an rotierenden Armen befestigten und diese durch die Luft wirbelten. Eine schematische Darstellung dieses Versuchsaufbaus ist in der Abbildung unten zu sehen. Es dauerte über 150 Jahre, bis sich diese frühe Technologie zu den modernen Werkzeugen und Techniken entwickelte, die heute in der Luft- und Raumfahrt sowie im Bauingenieurwesen eingesetzt werden (Quelle).

Abbildung 2: Frühe schematische Darstellung eines Wirbelarm-Systems, das durch ein fallendes Gewicht angetrieben wurde, um die Luftströmung um Objekte zu testen (Quelle)

Frühe Windkanäle wurden hauptsächlich zur Simulation einer stabilen, gleichförmigen Luftströmung verwendet. Dadurch waren sie sowohl für die Flugzeug- und Tragflächenentwicklung in der Luft- und Raumfahrt als auch für Anwendungen im Automobilbau nützlich.

Es schien plausibel anzunehmen, dass Windkanäle auch im Bauingenieurwesen eingesetzt werden könnten, um reale Windbedingungen zu simulieren und zu bewerten, wie sich Bauwerke vor dem Bau verhalten würden. Ingenieure stellten jedoch schnell fest, dass die glatte und gleichförmige Luftströmung, die von bestehenden Windkanälen erzeugt wurde, das chaotischere und turbulentere Verhalten des atmosphärischen Windes nicht realistisch wiedergab.

Für Anwendungen im Bauingenieurwesen musste die Luftströmung im Windkanal die wichtigsten Merkmale der atmosphärischen Grenzschicht reproduzieren, was weitaus schwieriger umzusetzen war. Um zu verstehen, warum, müssen wir zunächst betrachten, wie sich die atmosphärische Grenzschicht verhält.

Was ist die atmosphärische Grenzschicht?

In der Strömungsmechanik ist die Grenzschicht die Region neben einer Oberfläche, in der die Strömung durch ihre Wechselwirkung mit dieser Oberfläche beeinflusst wird. In einer allgemeinen Grenzschicht kann die Strömung laminar oder turbulent sein. Die Reynolds-Zahl, ein dimensionsloser Wert, der den relativen Einfluss von Trägheits- und Viskositätskräften beschreibt, ist einer der Faktoren, die dieses Verhalten beeinflussen.

Niedrigere Reynolds-Zahlen begünstigen im Allgemeinen eine laminare Strömung, während höhere Reynolds-Zahlen die Wahrscheinlichkeit eines Übergangs zu einer turbulenten Strömung erhöhen. Oberflächenrauheit, Störungen, Geometrie und andere Faktoren können diesen Übergang ebenfalls beeinflussen. Der Unterschied zwischen laminaren und turbulenten Grenzschichten wird in der Abbildung unten dargestellt.

Abbildung 3: Demonstration der Grenzschicht in laminarer und turbulenter Strömung (Quelle)

Die atmosphärische Grenzschicht ist der unterste Teil der Atmosphäre, in dem der Wind direkt von der Erdoberfläche beeinflusst wird.

Die Strömung des atmosphärischen Windes über die Erdoberfläche ähnelt der Strömung innerhalb einer turbulenten Grenzschicht über einer relativ flachen Oberfläche. Wenn der Wind über den Boden, das Gelände, Gebäude, Bäume und andere Oberflächenmerkmale strömt, wird die Strömung gestört, was Turbulenzen erzeugen kann. Turbulenzen entstehen auch durch thermische Effekte, da die Sonne die Erdoberfläche erwärmt und dadurch wärmere Luft aufsteigt.

Zusätzliche Turbulenzen können durch atmosphärische Konvektion im Zusammenhang mit Wolken entstehen. Eine schematische Darstellung der atmosphärischen Grenzschicht ist unten abgebildet.

Abbildung 4: Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht (Quelle)

Die Reproduktion dieser atmosphärischen Bedingungen in einem Windkanal ist komplex. Deshalb tauchte die Technologie der Windkanäle mit atmosphärischer Grenzschicht erst später in der Geschichte der Windkanäle auf.

Zu den häufig untersuchten Anwendungsfällen mit atmosphärischen Grenzschichtversuchen gehören:

• Chaotische Windlasten auf Hochhäusern
• Simulation der Schneelast auf Dächern
• Windströmung um Industriegebäude
• Windströmung auf Fußgängerebene in städtischen Gebieten
• Nachlaufeffekte und Strömungsgeschwindigkeit in Windparks
• Aerodynamische Leistung von Drohnen und UAVs

Versuchsplanung für Grenzschicht-Windkanäle

Für Anwendungen im Bauingenieurwesen lassen sich diese Versuche grob in zwei Kategorien einteilen: Wind- und Umwelteffekte auf Bauwerke.

Windeffekte auf Bauwerke

Eine der häufigsten Anwendungen eines Windkanals mit atmosphärischer Grenzschicht ist die Untersuchung, wie sich Gebäude und Bauwerke unter atmosphärischen Windbedingungen verhalten sollen. Windinduzierte Bewegungen können mit Kameras verfolgt werden, während Lastmesszellen am Fuß des Modells die auf das Gebäude wirkenden Querkräfte und Momente messen können. Ein Beispiel für einen Windkanal mit atmosphärischer Grenzschicht und einem Bauwerk zum Testen von Windlasten ist unten abgebildet.

Abbildung 5: U.S. Air Force Memorial in Arlington, VA, mit einer 270 ft (82 m) hohen Spitze, das in einem BLWT getestet wird (Quelle)

Heute ist die BLWT-Prüfung zu einem etablierten Bestandteil der Bewertung des Verhaltens von Gebäuden unter Windbelastung geworden. In Ontario muss beispielsweise jedes Gebäude, das 60 Meter überschreitet oder dessen Höhe mehr als das Vierfache seiner geringsten effektiven Breite beträgt, vor der Entwicklung in einem BLWT getestet werden.

BLWTs werden auch zur Untersuchung aeroelastischer Modelle verwendet, die windinduzierte Verformungen oder andere Bewegungen erfahren, die mit zunehmender Windlast stärker werden. Diese Bauwerke sind in der Regel flexibel, massearm und schwach gedämpft, wie zum Beispiel:

• Schornsteine
• Masten
• Brücken mit großen Spannweiten
• Stromleitungen

Umwelteffekte auf Bauwerke

Der zweite Anwendungsfall für BLWT im Bauingenieurwesen ist die Untersuchung von Umwelteffekten. In kälteren Klimazonen werden die Ansammlung und der Transport von Schnee auf Gebäuden mit großen Dachkonstruktionen untersucht. Dies ermöglicht es Planern zu erkennen, wo sich Schnee auf Gebäuden ansammelt, die Konstruktion auf die daraus resultierenden Schneelasten auszulegen und gegebenenfalls die Schneeräumung zu planen. Eine Abbildung eines Modells im Maßstab zur Untersuchung der Schneeanreicherung in einem Windkanal ist unten abgebildet.

Abbildung 6: Gebäudemodell im Maßstab, das mit schneehaltigem Material bedeckt ist, um die Schneeanreicherung zu simulieren (Quelle)

Eng beieinander stehende Gebäude können Bereiche mit beschleunigtem Wind um Fußgängerzonen erzeugen. Die Vorhersage und Messung mittlerer und Spitzenwindböen in diesen Bereichen ermöglicht eine bessere Gestaltung der Standorte und ein besseres Erlebnis für Fußgänger. Städte wie Boston, Toronto, New York und San Francisco verlangen vor der Genehmigung von Bauvorhaben BLWT-Testdaten zu Winden auf Fußgängerebene mit und ohne die neuen Bauwerke.

In Industriegebieten gehören Emissionen aus Gebäudelüftungen, Industrieschornsteinen und Kraftfahrzeugen zu den häufigsten Quellen atmosphärischer Schadstoffe, und ihre Ausbreitung und Verteilung nach der Freisetzung können schwer nachzuverfolgen und vorherzusagen sein. Physikalische Modellierung in einem BLWT ermöglicht es Forschern, abzuschätzen, wie sich Schadstoffe ausbreiten, und zu identifizieren, wo erhöhte Konzentrationen auftreten können.

Wie funktioniert ein Windkanal mit atmosphärischer Grenzschicht?

Forscher wollten die bestehende Windkanalinfrastruktur für strukturelle Tests unter realistischeren Windbedingungen anpassen. Sie fanden heraus, dass die Luftströmung im Windkanal so eingestellt werden konnte, dass sie die atmosphärische Grenzschicht simulierte. Forscher erreichten dies durch das Hinzufügen von Strömungsregelungsvorrichtungen wie Spitzen, Wirbelgeneratoren und Zäunen, die die atmosphärische Grenzschicht nachbilden konnten.

Diese Vorrichtungen stören die glatte Luftströmung, um turbulente Wirbel zu erzeugen, die die Luft vermischen, während sie stromabwärts strömt. Diese Vermischung erzeugt eine turbulente Strömung und verändert das Geschwindigkeitsprofil so, dass die Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe allmählich ansteigt, ähnlich dem vertikalen Windgeschwindigkeitsprofil, das in der atmosphärischen Grenzschicht zu finden ist. Ein Beispiel für eine solche Windkanalsystem ist in der Abbildung unten zu sehen.

Abbildung 7: Traditioneller Windkanal, der atmosphärische Grenzschichtbedingungen mit einem Gebäudemodell im Maßstab simuliert (Quelle)

Wie erzeugt man eine atmosphärische Grenzschicht mit einer Windwand?

Eine Windwand wie der WindShaper besteht aus gegenläufig rotierenden Fan-Arrays, die einzeln steuerbar sind, was dem Bediener die Möglichkeit gibt, realistische gleichförmige oder turbulente Windbedingungen zu erzeugen.

Die atmosphärische Grenzschicht kann mit dem WindShaper reproduziert werden, indem die Windgeschwindigkeit und die Turbulenzprofile über den Testabschnitt gesteuert werden. Die Fan-Geschwindigkeit kann in den unteren Reihen niedriger eingestellt und in den höheren Reihen schrittweise erhöht werden. Darüber hinaus ermöglichen die gegenläufig rotierenden Fans in jedem Fan-Modul dem WindShaper, eine turbulente Strömung zu erzeugen, ohne dass ein langer Testabschnitt mit zusätzlichen Strömungsregelungsvorrichtungen erforderlich ist. Eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus mit dem WindShaper und einem Modell eines Stadtblocks ist unten abgebildet.

Abbildung 8: 2D-Seitenansicht des WindShapers, der atmosphärische Grenzschichtbedingungen erzeugt

Windschere ist eine weitere Bedingung, die für Windstudien im Bauingenieurwesen relevant ist. Sie beschreibt eine Änderung der Windgeschwindigkeit und -richtung über eine bestimmte Entfernung. Wir haben ein Video erstellt, das zeigt, wie Windschere mit dem WindShaper simuliert und mit dem WindProbe gemessen werden kann.

Forscher von UCLouvain haben einen WindShaper installiert, der es ihnen ermöglicht, die atmosphärische Grenzschicht für die Prüfung von Windturbinen und Windparkdynamiken zu reproduzieren. Die Tests verwenden Modelle von Windturbinen im Maßstab, die es den Forschern ermöglichen, Daten schneller und zu einem viel geringeren Preis als Vollmaßstab-Feldversuche zu sammeln. Die Universität plant außerdem, die Windwand zum Testen von Drohnen, Hubschraubern, biomimetischem Flug und Umweltwetterbedingungen wie Regen und Schnee zu verwenden.

Fazit

Die Prüfung in Windkanälen mit atmosphärischer Grenzschicht ist zu einem wichtigen Bestandteil des Bauingenieurwesens geworden und unterstützt Anwendungen von strukturellen Windlaststudien bis hin zu Schneeanreicherung und Schadstoffausbreitung.

Diese Versuche hängen von der Fähigkeit der Ausrüstung ab, die Windgeschwindigkeitsprofile und Turbulenzeigenschaften zu reproduzieren, die in der atmosphärischen Grenzschicht zu finden sind.

Während sich die Testmethoden weiter verbessern, erweitern Technologien wie der WindShaper, wie atmosphärische Windbedingungen im Labor reproduziert, gesteuert und untersucht werden können.

Welche weitere Anwendung könnte Ihrer Meinung nach von Windkanaltests mit atmosphärischer Grenzschicht profitieren? Lassen Sie es uns in den Kommentaren wissen.