Teil 1: Planung - Recherchieren und planen

Nachdem wir uns für die Eiffel Bauform entschieden hatten, machten wir uns daran, im Internet nach Informationen zu suchen. Dabei stellten sich folgende Seiten und Dokumente für die Planung und den Bau als besonders wertvoll heraus.

• Sciencbuddies: Diese Seite wurde extra für Schüler erstellt. Sie beschreibt Schritt-für-Schritt den Bau eines Windkanals, allerdings ohne Strömungsvisualisierung.
• Baals Wind Tunnel: Auf dieser Seite wird beschrieben, wie ein Windkanal des Typ Eiffels gebaut werden kann. Auch hier wird nicht auf die Strömungsvisualisierung eingegangen.
• Rauchkanal: Auf der Seite des Modellraketen-Magazin wird beschrieben, wie mit sehr einfachen Mitteln ein Windkanal mit Strömungsvisualisierung (durch Rauch) gebaut werden kann.
• Nasa Wind Tunnel: Die Seite der Nasa über Windkanäle lässt keine Fragen offen. Von der Theorie bis zum Selbstbau eines Windkanals ist alles sehr verständlich ausgeführt.
• Aerodynamisches Laboratorium: Das Dokument beschreibt verschiedene Windkanäle
• Konstruktion eines Nebelwindkanals: Beschreibt den Bau eines Göppinger Windkanals, für uns sind aber die Teile über die Nebelerzeugung sehr interessant.
• Raucherzeugung: In einem Thread im CR4 Forum wurden interessante Methoden zur Raucherzeugung diskutiert.

Nach dem ausführlichen Einlesen ins Thema wurde uns schnell klar, dass es sehr schwierig ist, einen Windkanal zu bauen, in welchem man Kräfte messen kann, aber auch die Strömung visualisieren kann. Dies versuchten wir durch die Kombination mehrerer Baupläne zu erreichen. Dabei entstand folgender Plan.

Abbildung 3 erster Plan (für eine grössere Ansicht auf das Bild klicken)

Abbildung 4 - Reinzeichnung des ersten Plans

Die Masse sind jeweils als Innenmasse gedacht. Die Dicke der Materialien wurde bei diesen ersten Skizzen vernachlässigt. Um die Übersicht zu halten, haben wir den Plan danach in Geogebra reingezeichnet und auch die Masse etwas reduziert, trotzdem ist der Windkanal mit einer Gesamtlänge von 265cm ziemlich gross. Damit der Windkanal transportabel bleibt, haben wir ihn deshalb in verschiedene Teile aufgeteilt, welche getrennt voneinander transportiert werden können. Diese Teile sind auf beiden Plänen markiert.


Messbereich

Abbildung 5 - Messbereich

Im Messbereich werden einerseits die Auftriebs- und Widerstandskraft gemessen, andererseits betrachtet man hier aber auch die Strömungsbilder.
Wir überlegten uns, wie gross der Innenbereich des Messbereichs etwa sein sollte. Da die grössten unserer Testobjekte wohl etwa 20cm breit sind, entschieden wir uns -damit wir noch etwas Spielraum haben- dass Innenmass auf 30cm*30cm*60cm festzulegen.
Um die Strömungsbilder betrachten zu können, war von Anfang an klar, dass mindestens eine Seite des Messbereichs transparent sein muss. Weil für die Betrachtung der Strömungsbilder aber ein dunkler Hintergrund nötig ist, entschieden wir uns, nur eine Seite aus Plexiglas zu bauen, die anderen Seiten aus schwarz bemaltem Holz. Damit die Seite mit Plexiglas möglichst stabil bleibt, entschieden wir uns, das Plexiglas rechts und links mit Latten zu stützen. Um die Sichtbarkeit des Rauches weiter zu verbessern wurde auch eine LED Leiste eingeplant.

Abbildung 6 - Kraftsensoren

Um die Auftriebs- und Widerstandskraft messen zu können, planten wir zwei Kraftsensoren unterhalb des Messbereichs ein. Der Auftriebssensor wird mit einem Rohr mit dem Testobjekt verbunden, an diesem Rohr wird orthogonal ein zweites befestigt, welches mit dem Widerstandskraftsensor verbunden ist. Die Kraftsensoren müssen solche sein, welche bei Belastung nicht nach innen gedrückt werden.
Doch damit überhaupt irgendwelche Kräfte gemessen und Strömungsbilder analysiert werden können, muss das Testobjekt eingesetzt werden können. Dazu planten wir ein Scharnier zwischen Rückwand und Deckel ein. Der Deckel und die Plexiglasseite können damit zusammen nach hinten geklappt werden. Obwohl sich der Messbereich öffnen lässt, mussten wir uns einen möglichst guten Weg zum Abdichten überlegen, damit keine Luft entweicht und keine Wirbel entstehen. Nach ersten Überlegungen tendierten wir zu Silikon. Wie wir die Dichtung später genau gelöst haben, ist im Teil Bau - Tag 2 und 3 beschrieben.


Düse

Abbildung 7 - erster Entwurf der Düse

Abbildung 8 - Skizze mit neuen Massen

Die Düse sorgt dafür, dass das Geschwindigkeitsprofil in der Messstrecke gleichförmig und turbulenzarm ist. Um dies zu erreichen, muss das Kontraktionsverhältnis der "Eingangs-" und "Ausgangsfläche" zwischen 5 und 20 liegen. Wir entschieden uns für ein Verhältnis von 7, dies ermöglicht gleichzeitig eine kompakte Bauform und ein gutes Geschwindigkeitsprofil. Da die "Ausgangsfläche" 30cm*30cm=900cm² gross ist (entspricht dem Innenmass des Messbereichs), muss die "Eingangsfläche" 900cm²*7=6300cm² gross sein.

Abbildung 9 - Einfassen der Düse

Daraus ergibt sich die Kantenlänge als Wurzel von 6300cm², was etwa 80cm entspricht.  Die Höhe der Düse legten wir ursprünglich auf 75cm an, stellten dann aber bald fest, dass der Trichter damit nur sehr knapp durch Standardtüren passt, deshalb entschieden wir uns die Höhe auf 60cm zu reduzieren. Wir entschieden uns auch, die Düse aus 3mm dünnen Hartfaserplatte zu bauen. Diese ist sehr preisgünstig, hat aber trotzdem eine gute Eigenstabilität. Um die Stabilität des Trichters weiter zu verbessern, entschieden wir uns, die "Eingangs-" und "Ausgangsfläche" mit Dachlatten einzufassen. Damit an den Kanten möglichst wenig Luft entweicht, planten wir diese mit Rechteckleisten zu dichten. Aus Sicherheitsgrüden (damit keine Objekte ungewollt angesaugt werden) wird die Eingangsfläche mit einem Maschendrahtgitter ausgestattet.

Gleichrichter

Abbildung 10 - Gleichrichter

Der Gleichrichter hat bei unserem Windkanal zwei Funktionen. Einerseits soll er Wirbel aus der Luftströmung entfernen, andererseits dient er dem Raucheinlass . Den Gleichrichter planten wir aus 4 Holzplatten zu bauen, welche mit Winkeln zu einem offenen Quader verbunden werden. Das Innenmass des des Gleichrichters beträgt - angepasst an den Messbereich - 30cm*30cm*20cm.Um die Luftströmungen zu reduzieren, haben wir 13cm lange Trinkhalmstücke vorgesehen, die zusammengeklebt ein Raster bilden, durch welches die Luft fliessen muss.  Den Rauch, welcher zur Strömungsvisualisierung benutzt wird, wollen wir durch ein Rohrsystem von allen Seiten einspeisen. Aufgrund der Strömung im Windkanal sollte er von alleine angesaugt werden und sich gleichmässig verteilen. Dank dem Trinkhalmraster sollten sich nach unserer Planung anstelle von Rauchwolken und Feldern die gewünschten Rauchfäden einstellen.



Diffusor

Abbildung 11 - Diffusor

Der Diffusor dient einerseits der Druckrückgewinnung im Windkanal, was Energie spart. Bei der Baugrösse unseres Windkanals ist dieser Effekt aber vernachlässigbar. Viel wichtiger ist seine zweite Funktion. Im Diffusor sind nämlich der Lüfter und ein Windgeschwindigkeitssensor angebracht. Für den Diffusor verwendeten wir die gleichen Materialien wie für die Düse. Also auch wieder Hartfaserplatten, Dachlatten und Winkelleisten. Für die Berechnung der Cw und Ca Werte ist es nötig, die Windgeschwindigkeit im Messbereich zu kennen, damit dort aber keine Wirbel entstehen, misst man sie im Diffusor. Die Montierung des Motors können wir erst planen, wenn wir den Motor besitzen. Was jetzt schon sicher ist, dass zur Sicherung auch hier ein Maschendrahtgitter verwendet wird.

Dichten und Verbinden der Elemente

Um die einzelnen Elemente verbinden zu können, planten wir Beine ein, damit alle Teile auf der gleichen Höhe sind. Die Beine sind aus Dachlatten mit der Grösse 20mm*35mm. Damit die Elemente ohne Luftausströmungen und daraus folgende Wirbel verbunden werden können, ist es nötig, alle Teile an der/den Verbindungsseite(n) abzudichten. Unser Plan: Dichtungsband auf den Verbindungsseiten aufkleben und diese mit etwas Druck verbinden, so dass keine Luft ausströmen kann. Damit die Verbindungen mit etwas Druck hergestellt werden können, entschieden wir uns für Federn, welche jeweils an Schrauben in beiden Elementen befestigt werden können. 

Abbildung 12 - Gesamtplan mit Beinen

Abbildung 13 - Schraubenzugfeder