Von Lauren Nagel
Windkanäle sind eine wertvolle Ausrüstung zur Charakterisierung der Aerodynamik von Objekten. Es gibt mehrere Arten von Windkanälen, die auf unterschiedliche Weise funktionieren.
In diesem Artikel werden wir folgende Themen behandeln:
- Wie Windkanäle funktionieren
- Arten von Windkanälen (Geschwindigkeit, offen vs. geschlossen, Freiluft und CFD)
- Wie Windkanäle bei der Entwicklung von Flugzeugen eingesetzt werden
- Vergleich der Arten von Windkanälen
1. Wie Windkanäle funktionieren
Windkanäle sind ein hervorragendes Werkzeug, um kontrollierte Windströmungen zu erzeugen, die Flugbedingungen nachbilden.
Durch den Einsatz eines oder mehrerer Ventilatoren, die Luft über ein Objekt leiten, kann man die Wechselwirkung zwischen dem Objekt und der umgebenden Luftströmung sichtbar machen, um dessen Aerodynamik vorherzusagen.
Abbildung 1: Installation eines Modellflugzeugs im Testbereich eines Windkanals
Bei herkömmlichen Windkanaltests wird Wind von einem Ventilator erzeugt und durch einen Testbereich geleitet, in dem das zu untersuchende Objekt installiert ist. Die Kanäle selbst unterscheiden sich in Größe und Form.
Die meisten Windkanäle haben entweder eine offene oder geschlossene Rückführung. Für einige Überschalltests können auch Kanäle vom Blasdrucktyp verwendet werden, die auf einem Druckunterschied zwischen einem Hochdruckbecken vor dem Testbereich und einem Niederdruckbehälter dahinter basieren.
Windkanaltests können eine Kombination aus Luftdrucksensoren, Kraftmessplatten und physischen Indikatoren wie Rauch, Öl und Farbe verwenden, um zu charakterisieren, wie ein Objekt mit einer Windströmung interagiert.
Fortgeschrittene Methoden umfassen drucksensitive Farbe, die ihre Farbe bei Druckänderungen ändert, und Partikelbild-Velozimetrie, die eine Laserebene verwendet, um die Geschwindigkeit von Partikeln zu verfolgen, die durch eine Ebene im Testbereich fliegen.
Abbildung 2: Test eines US-Navy-Flugzeugs in voller Größe in einem Windkanal
2. Arten von Windkanälen
Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die verschiedenen Arten von Windkanälen zu identifizieren, wie Geschwindigkeit, Konfiguration, Bauart und Leistung.
Windkanalgeschwindigkeit
Herkömmliche Windkanäle werden nach der Geschwindigkeit der durch den Testabschnitt strömenden Luft im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit (Mach 1) klassifiziert. Sie werden in vier Kategorien unterteilt: Unterschall (Mach <0,8), Transchall (Mach 0,8 – 1,2), Überschall (Mach 1,2 – 5,0) und Hyperschall (Mach >5,0).
Die Kategoriegrenzen basieren auf dem Ausmaß der Kompressibilitätseffekte, die für Flüge bei dieser Geschwindigkeit berücksichtigt werden müssen.
Je schneller sich Objekte bewegen, desto stärker komprimieren sie die umgebenden Gase, wodurch sich die Fluiddichte ändert und die auf das Flugzeug wirkende Kraft beeinflusst wird.
Dieser Effekt tritt bei Unterschallgeschwindigkeiten nicht auf, hat jedoch einzigartige Auswirkungen bei Transchall-, Überschall- und Hyperschallgeschwindigkeiten, daher die Kategorisierung.
Offene vs. geschlossene Rückführung
Windkanäle gibt es in vielen Konfigurationen, aber Kanäle mit offener und geschlossener Rückführung sind am weitesten verbreitet und unterscheiden sich in ihrer Form und der Art und Weise, wie die Luft zirkuliert.
Offene Windkanäle haben auf beiden Seiten des Testabschnitts offene Enden und nehmen Luft aus der Umgebung auf, in der sich der Kanal befindet.
Sobald die Luft durch den Testabschnitt und aus einem Ende des Kanals austritt, wird sie durch den Raum zurück in den Kanaleingang geleitet, wo sie wieder in den Kanal eintreten kann (Abbildung 3).
Ein offener Windkanal mit einem offenen Testabschnitt wird auch als „Eiffel-Kanal“ bezeichnet, benannt nach Gustave Eiffel, der seinen Windkanal in Paris nutzte, um die Eigenschaften des Auftriebs an einem Tragflächenprofil zu untersuchen.
Ein offener Kanal mit einem geschlossenen Testabschnitt wird auch als „NPL-Kanal“ bezeichnet, benannt nach dem National Physical Laboratory, wo er erstmals eingesetzt wurde.
Abbildung 3: Windkanal mit offener Rückführung (grc.nasa.gov)
Geschlossene Windkanäle verwenden einen selbständigen Kreislauf, der die Luft innerhalb des Kanals durch den Testabschnitt zirkuliert (Abbildung 4).
Der Kanal ist nicht für die Testumgebung um die Vorrichtung herum geöffnet, sodass dieselbe Luft immer wieder zirkuliert. Umluftleitbleche helfen, die Richtungsänderungen der Luftströmung im gesamten Kanal zu glätten.
Geschlossene Windkanäle werden auch als „Prandtl-Kanäle“ bezeichnet, nach Ludwig Prandtl, der die ersten Theorien zu Überschallstoßwellen entwickelte. Sie werden auch als „Göttingen-Kanäle“ bezeichnet, benannt nach dem deutschen Forschungslabor, wo sie erstmals eingesetzt wurden.
Abbildung 4: Windkanal mit geschlossener Rückführung (grc.nasa.gov)
Die Vorteile herkömmlicher Windkanäle wie dieser umfassen ihre Fähigkeit, Hochgeschwindigkeitsströmungen zu erzeugen, und ihre Fähigkeit, den Testbereich einzuschränken.
Dabei macht die Einschränkung des Testbereichs es jedoch schwieriger, ein Flugzeug in Bewegung zu testen, da der Platz begrenzt ist. Bei herkömmlichen Windkanaltests werden oft Modelle verwendet, da Windkanäle, die Flugzeuge in voller Größe testen können, extrem teuer zu bauen sind.
Der weltweit größte Windkanal mit den Maßen 80' x 120' am NASA Ames Research Center in Kalifornien wurde durch die Umrüstung eines kleineren Windkanals von 40' x 80' gebaut. Das Projektbudget im Jahr 1979 betrug 85 Millionen USD, was heute etwa 350 Millionen USD entspricht.
Freiluft-Wind „Kanäle“ / Windshaper
Freiluft-Windkanäle oder Windshaper sind eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen geschlossenen Windkanälen.
Diese Option ist besonders relevant für Freiflugtests von Flugzeugen und Drohnen, da sie Tests ohne die Grenzen eines physischen Kanals ermöglicht. Solche Freiluftanlagen können Flugzeuge gleicher Größe für einen Bruchteil der Kosten eines herkömmlichen Windkanals aufnehmen.
Freiluft-Windkanäle unterscheiden sich von herkömmlichen Windkanälen dadurch, dass der Testbereich der Umgebung offen ist und nicht in einem Kanal eingeschlossen ist (Abbildung 7).
Eine Wand aus Ventilatoren erzeugt eine 3D-Windströmung basierend auf einer Funktion mit drei Variablen (x, y, z). Die Funktion übermittelt Informationen an die einzelnen Ventilatoren, die alle Arten von Windprofilen erzeugen können, wie Wellen, Turbulenzen, Windböen usw.
Die Windströmung wird durch einen offenen Testbereich geleitet, in dem sich das Flugzeug befindet. Dies ermöglicht es dem Flugzeug, frei zu fliegen, ohne dass es an Ort und Stelle montiert werden muss.
Weiterführende Literatur: Warum Sie die Motoren und Propeller Ihrer UAV testen sollten
Abbildung 7: Drohnentest mit einem Freiluft-Windkanal (Windshaper)
Die Visualisierung der Luftströmung mit einem Freiluftsystem wird durch den gleichzeitigen Einsatz von Bewegungsüberwachungs- und Strömungssondentechnologien ermöglicht.
Die Visualisierungssoftware kombiniert Daten aus beiden Quellen, verarbeitet, interpoliert und visualisiert sie anschließend (Abbildung 8).
Die gesammelten Daten können in Echtzeit visualisiert oder später mit standardmäßigen CFD-Visualisierungstools analysiert werden.
Abbildung 8: Visualisierung der Luftströmung um eine Drohne mit ProCap-Technologie von Streamwise
Die Vielfalt der mit einer oder mehreren Ventilatorenwänden erzeugten Windprofile eignet sich hervorragend zur Simulation eines Fluges durch schwieriges Wetter oder an Gebäuden und Gelände vorbei.
Dieses Video der kanadischen Regierung bietet eine hervorragende Demonstration der Herausforderungen beim Fliegen mit einer Drohne in der Stadt und der Art von Fähigkeiten, die Piloten in Innenstädten entwickeln müssen.
Aufgrund der offenen Beschaffenheit des Testbereichs ermöglichen Freiluft-Windkanäle auch das Testen von Start- und Landekonfigurationen.
Windshaper verfügen über eine Neigungsfunktion, die es ihnen ermöglicht, sich um bis zu 90 Grad zu drehen. Dies ermöglicht es dem Benutzer, die kritischsten Flugphasen zu üben, während Bodeneffekte, thermische Aufwinde, Seitenwinde usw. simuliert werden.
Zusätzlich können klimatische Effekte wie Regen, Schnee oder Nebel im Testbereich hinzugefügt werden (Abbildung 9).
Abbildung 9: Drohnentest unter Regenbedingungen
Freiluft-Windkanäle sind im Vergleich zu herkömmlichen Windkanälen mit demselben Querschnitt des Testbereichs relativ kostengünstig. Sie bieten daher praktikablere Freiflugtests.
Bisher wurden keine Freiluft-Windkanäle gebaut, die Transchallgeschwindigkeiten erreichen, was ein Nachteil dieses Modells ist.
Computersimulation / CFD
Computerbasierten Windkanaltests oder numerische Strömungsmechanik (CFD) können unabhängig oder in Kombination mit physischen Tests eingesetzt werden, um die Aerodynamik eines Objekts zu verstehen.
Bei budgetbeschränkten Projekten kann die Simulation die einzige Methode zur Bewertung eines Objekts sein, während sie in größeren Projekten physische Windkanaltests informieren und ergänzen kann.
Abbildung 5: Visualisierung der Luftströmung über einem Klappenscharnier von AirShaper
Computerbasierten Programme können bereits mit so wenig Input wie einem 3D-Modell oder 3D-Scan eines Flugzeugs beginnen. Das Modell wird in die Testsoftware geladen und verschiedenen simulierten Windbedingungen ausgesetzt.
Der Benutzer kann die Windgeschwindigkeit, den Anstellwinkel, die Flugzeugbewegung und die Eigenschaften des Fluids steuern.
Die Ergebnisse der Simulation liefern wichtige Informationen wie Windform, Oberflächendruck und Windströmungsablösung entlang von Teilen des Flugzeugs (Abbildung 6).
Für Einsteiger in CFD bietet die NASA mehrere kostenlose Windkanal-Software, die darauf ausgelegt ist, die Grundlagen der Aerodynamik und des Antriebs zu vermitteln. Für fortgeschrittenere kommerzielle Anwendungen bieten Unternehmen wie AirShaper und SimScale Lösungen an, die es Kunden ermöglichen, detaillierte Modelle und umfassende Windprofile zu erstellen.
Abbildung 6: Visualisierung der Strömung um das Flugzeugfahrwerk mit SimScale CFD-Technologie
Insgesamt ist CFD eine kostengünstige Möglichkeit, theoretische aerodynamische Daten zu sammeln, insbesondere da die Technologie immer fortschrittlicher wird.
Letztendlich sind die Daten jedoch genau das: theoretisch.
Wir haben ein Experiment durchgeführt, um zu sehen, wie CFD-Daten im Vergleich zu realen Bedingungen bei Propellertests abschneiden, und die Ergebnisse waren äußerst interessant.
Aufkommende Trends und die Zukunft der Windkanaltechnologie
Die Zukunft der Windkanäle besteht darin, CFD und KI mit experimentellen Daten zu kombinieren. Diese Mischung von Technologien schafft eine Echtzeitintegration von experimentellen und numerischen Simulationen. Intelligente Windkanäle wie die SMART-Systeme von Optomet verwenden laserbasierte Werkzeuge, die Vibrationen und Aerodynamik messen, ohne die Oberfläche des Objekts zu berühren, wodurch sichergestellt wird, dass die Luftströmung über das getestete Fahrzeug ungestört bleibt. Das System ist mit KI integriert, um Signalrauschen automatisch zu filtern und Messungen in Echtzeit anzupassen. Dies ermöglicht es, Daten während Hochgeschwindigkeitsprüfungen genauer zu sammeln, ohne dass eine manuelle Neukalibrierung erforderlich ist.
Abbildung 7: SMART-Windkanal von Optomet
Kryogene Windkanäle verwenden flüssigen Stickstoff zur Kühlung, um hohe Reynolds-Zahlen zu erreichen. Dies ermöglicht die Simulation von Hyperschallflugumgebungen. Der Cryogenic Wind Tunnel Cologne ist ein geschlossener Kreislaufkanal, der diese Technologie verwendet. Er injiziert flüssigen Stickstoff, um die Gastemperatur auf 100 K zu senken. Die Senkung der Temperatur erhöht die Luftdichte und verringert die Viskosität, was höhere Reynolds-Zahlen ermöglicht, ohne die Größe des Modells oder die Windgeschwindigkeit zu ändern [1].
Abbildung 8: Kryogener Windkanal in Köln
3. Wie Windkanäle bei der Entwicklung von Flugzeugen eingesetzt werden
Windkanäle können Flugzeugbauern helfen, ihre Konstruktion zu verbessern, indem sie Bereiche identifizieren, in denen die Aerodynamik verbessert werden kann.
Dies ermöglicht es Konstrukteuren, ihr Auftrieb-zu-Widerstands-Verhältnis zu verbessern, was sich in längeren Flugzeiten und einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegen Turbulenzen niederschlagen kann.
Fortgeschrittenere Windkanäle können auch Turbulenzen und seitliche Windströmungen simulieren, um die Leistung in verschiedenen Flugsituationen zu untersuchen.
Die Größe des erforderlichen Windkanals hängt von der Größe des Flugzeugs und der Art der durchgeführten Tests ab. Einige Windkanäle sind groß genug, um Flugzeuge in voller Größe zu testen, während andere Modelle verwenden, um Annahmen über die Versionen in voller Größe zu treffen.
Für Freiflugtests wird beispielsweise ein größerer Kanal benötigt als für den Test eines montierten Flugzeugmodells.
4. Vergleich der Arten von Windkanälen
Hier ist ein Vergleich von drei Arten von Windkanälen:
Fazit
Für weitere Informationen zu herkömmlichen Windkanaltests und CFD sehen Sie sich die im Text erwähnten Unternehmen und Links an.
Für weitere Informationen zu Freiluft-Windkanaltests (Windshaper) sehen Sie sich unsere Windkanaltest-Landingpage an.
Weiterführende Literatur: Windkanaltests an der University of Ottawa
Bibliografie
[1] D. K. Paul, H. M. Robin, N. Paul, M. M. Ahmed und M. H. Masud, “Fortschritte und Anwendungen von Windkanaltests in der Entwicklung von Luftfahrzeugen: Ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik,” Eng. Sci. Technol. Int. J., Band 72, S. 102244, Dez. 2025, doi: 10.1016/j.jestch.2025.102244.