Von Adam Kahraman

Wenn Sie in einem Windkanal testen, wünschen Sie sich wahrscheinlich, dass die Luft sichtbar wäre. Stellen Sie sich vor, Sie könnten laminare und turbulente Strömungen in Echtzeit sehen, ohne den Aufwand mit Rauch oder einer aufwendigen CFD-Simulation. Was wäre, wenn es ein Werkzeug gäbe, mit dem Sie den Wind in Echtzeit „sehen“ könnten?

Der WindProbe wurde entwickelt, um genau diesen Wunsch zu erfüllen. Er erfasst Windprofile mit hoher zeitlicher Auflösung aus mehreren Winkeln, während integrierte Bewegungserfassung genau bestimmt, wo die Messung durchgeführt wurde.

In diesem Artikel stellen wir die Einsatzmöglichkeiten des Werkzeugs vor, erklären, wie es funktioniert, und zeigen die praktischen Vorteile, die es für Ihren Workflow bei Windkanaltests bietet.

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung
2. Häufige Probleme bei Windmessungen
3. Funktionsweise des WindProbe 3D
4. Praktische Anwendung: Simulation von Windscherung
5. Fazit

Abbildung 1: Gesichtsaufnahme des WindProbes mit sichtbaren Reflektoren zur Bewegungserfassung

Häufige Probleme bei Windmessungen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Strömungsvisualisierung, etwa mit einer Rauchmaschine, Lasern oder Fäden. Alle haben ihre Vor- und Nachteile, doch die häufigste Einschränkung besteht darin, dass sie sich primär auf die visuelle Beobachtung als Messmethode stützen und keine quantitativen Daten liefern.

Die Messung der Luftströmung um ein bestimmtes Objekt bringt weitere Probleme mit sich.

• Der Aufbau muss an die Form des Objekts angepasst werden.
• Fäden müssen an der Oberfläche befestigt werden.
• Rauch muss gezielt an bestimmten Punkten um das Objekt ausgerichtet werden.
• Sonden müssen um das Objekt angeordnet werden.

Eine weitere häufige Anwendung von Windkanälen ist die Validierung von CFD-Simulationsergebnissen. Auch dies bringt jedoch eigene Probleme mit sich.

• Kleine Abweichungen im physischen Aufbau können dazu führen, dass sich die tatsächliche Luftströmung anders verhält als in der Simulation vorhergesagt.
• Es gibt keine einfache Möglichkeit zu überprüfen, ob die beiden Ergebnisse tatsächlich übereinstimmen.
• Ohne die Möglichkeit, das vollständige Windprofil zu messen, müssen Sie weitgehend davon ausgehen, dass die Übertragung korrekt war.

Funktionsweise des WindProbe 3D

Trotz der komplexen Herausforderungen, die er löst, ist der WindProbe selbst einfach aufgebaut. Es handelt sich um einen Mehrloch-Drucksensor mit fünf Löchern an der Spitze und einem 40-Grad-Aufnahmebereich.

Abbildung 2: WindProbe mit maßstabsgetreu dargestelltem 40°-Aufnahmebereich

Der Aufnahmebereich ermöglicht es dem WindProbe, Wind zu messen, der in verschiedenen Winkeln auf die Spitze trifft, und dabei Geschwindigkeitsvektoren entlang der x-, y- und z-Achse zu erfassen. Im Gegensatz zu einer Pitot-Sonde, die nur Wind misst, der direkt in sie hineinfließt, erfasst dieses Mehrloch-Design Daten aus einer Vielzahl von Richtungen. Diese Funktion ist bei der Messung von Wind unter turbulenten Bedingungen erforderlich.

Der WindProbe hat eine Abtastfrequenz von 200 Hz. Diese zeitliche Auflösung erfasst feine Details der Windgeschwindigkeit und stellt sicher, dass Sie schnelle Änderungen sehen, ohne dass Datenpunkte zwischen den Messungen verloren gehen.

Hier ist ein Video, das den WindProbe in Aktion zeigt:

Die Sonde wird vorkalibriert geliefert und lässt sich über ein einziges USB-Kabel für Kommunikation und Stromversorgung einfach mit einem WindShaper verbinden. Je nach Modell kann die Sonde Windgeschwindigkeiten von nur 1 m/s bis zu 60 m/s messen.

Die räumliche Verfolgung des WindProbes ermöglicht es Ihnen, die Sonde während der Datenerfassung zu bewegen und die aufgezeichneten Werte im 3D-Raum darzustellen. Dadurch ist es möglich, das Windprofil über den gesamten Testabschnitt zu kartieren, sowohl entlang der stromabwärtigen Achse als auch über die vertikale und horizontale Achse einer gegebenen Ebene. Anstatt an einem einzigen Punkt zu messen, kann das vollständige Windbild des Testabschnitts erfasst werden. Darüber hinaus können Windmessungen um jedes beliebige Objekt im Testabschnitt herum durchgeführt werden, sei es ein Propeller, ein Tragflügel oder eine Drohne.

Abbildung 3: WindProbe erfasst Winddaten in Echtzeit, während sie im 3D-Raum verfolgt wird

Was es dem WindProbe ermöglicht, im 3D-Raum verfolgt zu werden, sind die Bewegungserfassungsmarker, die entlang des Arms der Sonde angebracht sind. In Kombination mit Bewegungserfassungskameras verfolgt das System die genaue Position der Sonde im 3D-Raum. 

Abbildung 4: OptiTrack-Bewegungserfassungsmarker an der WindProbe

Die gleichen Marker sind am WindShaper angebracht und ermöglichen es der Software, die Position der Sonde relativ zur Windquelle zu verfolgen.

Abbildung 5: OptiTrack-Bewegungserfassungsmarker am WindShaper

WindVision-Software

Alle Daten der WindProbe werden mit der WindVision-Software verarbeitet, die die Verfolgung, Messung und Datenvisualisierung übernimmt. Um Ihnen zu helfen, die Sonde an der richtigen Stelle zu positionieren, verfügt die Sonde über einen integrierten LED-Streifen, der als Echtzeit-Leitfaden dient. Wenn Sie in der Software eine Messebene definieren, ändern die LEDs je nach Ihrer Position die Farbe: Rot, wenn Sie noch weit entfernt sind, Gelb, wenn Sie näher kommen, und Grün, wenn Sie sich genau auf der Ebene befinden.

Abbildung 6: LED-Streifen an der WindProbe leuchtet rot, gelb und grün

WindVision kann Daten als .csv- oder .vtk-Dateien exportieren, die Sie in einer Software wie ParaView öffnen und analysieren können. In WindVision definieren Sie die Abmessungen des Testabschnitts und der Messebene.

Die Software ermöglicht es Ihnen außerdem, die räumliche Auflösung dieser Messebene anzupassen. Die Ebene ist in Einheiten unterteilt, die Voxel genannt werden. Ähnlich wie die Größe und Auflösung eines 2D-Bildes durch Pixel definiert werden, ist ein Voxel eine 3D-Darstellung eines Wertes im Raum. Eine Erhöhung der Auflösung, also der Anzahl der Voxel, bietet eine höhere Datengranularität und tiefere Einblicke. Eine Verringerung der Auflösung ermöglicht es Ihnen, die Messung schneller abzuschließen, indem weniger Voxel gefüllt werden, und bietet eine breitere Übersicht der Strömung.

Das System kann Geschwindigkeitsvektoren in Volumina von nur 1 cm³ messen. Bei dieser kleinsten Einstellung können Sie mit bis zu 27 Millionen Voxeln in Ihrer Messebene arbeiten, was eine detaillierte Darstellung des Windprofils ermöglicht. 

Praktische Anwendung: Simulation von Windscherung

Angenommen, Sie entwickeln eine Drohne zur Fensterreinigung an hohen Gebäuden. Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe oft zu, sodass die oberen Etagen hoher Gebäude viel stärkeren Winden ausgesetzt sind. Wenn dieser Wind auf das Gebäude trifft, entstehen starke Geschwindigkeitsgradienten, die erhebliche Windscherung verursachen können, was für eine Drohne schwer zu bewältigen ist.

Bevor der Drohnenpilot einen Flug über ein dicht besiedeltes Gebiet mit teuren Fenstern unternimmt, möchte er sich möglicherweise unter diesen Bedingungen üben, ohne die Drohne oder das Gebäude zu gefährden.

Abbildung 7: Computergeneriertes Bild von Wind, der auf die Fassade eines Gebäudes trifft (Quelle)

Glücklicherweise lässt sich diese Umgebung mithilfe eines WindShapers leicht simulieren. Bei einem 2x2-Modulaufbau wie in der untenstehenden Abbildung können Sie die linken Lüftermodule mit 2 m/s und die rechten Module mit 6 m/s betreiben. Dadurch entsteht ein steiler Gradient zwischen den beiden Seiten, der Windscherung simuliert. Der WindProbe ermöglicht es Ihnen anschließend, das vom WindShaper erzeugte Windprofil zu visualisieren.

Abbildung 8: WindVision-Software zeigt deutliche Windscherung durch den WindShaper

Indem Sie den WindProbe vor die Lüfter halten, können Sie mit der Datenerfassung beginnen. Wenn Sie die Sonde über die Ebene bewegen, erzeugt die Software automatisch eine Echtzeit-Visualisierung des Windprofils.

Der nächste Schritt besteht darin, Ihre Drohne vor der Maschine von links nach rechts fliegen zu lassen, um zu sehen, wie sie unter diesen Bedingungen reagiert, und Ihre Rettungsmanöver zu üben.

Fazit

Der WindProbe bietet Ingenieuren und Forschern einen einzigartigen Ansatz zur 3D-Windmessung und verwandelt unsichtbare Luft in lesbare Daten. Er bietet ein Maß an Verifizierung, das zuvor ohne komplexe und teure Ausrüstung unmöglich war. Durch die Kombination von Mehrloch-Druckmessung und Bewegungserfassung bleibt er das einzige Werkzeug auf dem Markt, das in der Lage ist, ein vollständiges 3D-Windprofil in Echtzeit zu kartieren.

Abbildung 9: WindProbe 3D scannt das Strömungsfeld hinter einer Starrflügel-UAV