Windkanal für cw-Wert und Strömungslinien

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Für mein Physiklabor verwende ich bereits einen Windkanal, welcher hohe 
Windgeschwindigkeiten (bis zu 90 km/h) liefert. Damit wird der cw-Wert 
eines Automodells (konkret Porsche) bestimmt. Dies funktioniert 
eigentlich sehr gut.

https://www.youtube.com/watch?v=PQwhE10bY_A&t=4s

Weiters möchte ich die Strömungslinien sichtbar machen. Dafür verwende 
ich verschiedene Methoden:

1.) Nebelmaschine
2.) Kolophonium am Hitzdraht
3.) E-Zigarette und Pumpe

Leider ist die Strömung hinter dem Propellerrohr sehr turbulent und man 
erhält keine schönen Strömungslinien. Aus diesem Grund baue ich gerade 
einen kleineren Windkanal speziell zur Sichtbarmachung der 
Strömungslinien.

Er besteht aus einem 100mm/500mm Plexiglasrohr. An ein Ende fixiere ich 
einen saugenden PC-Lüfter (92mm Aussendurchmesser, 
https://www.neuhold-elektronik.at/catshop/product_info.php?cPath=93_94&products_id=6423). 
Für den Eingang habe ich mir einen Trichter 3D-drucken lassen, welcher 
die eingesaugte Luft auf rund 300 Stück 5mm-Trinkhalme lenkt. Hinter den 
Gleichrichter postiere ich die Nebeldüse (2mm/6mm ID Messingrohre, 
https://www.ebay.com/itm/Round-Brass-Tube-5-Size-2mm-6mm-Inner-Diameter-300mm-Length-0-5mm-Thickness/264103782668?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&var=563660949598&_trksid=p2060353.m2749.l2649). 
Diese wird an die nicht mehr benötigte E-Zigarette meines Sohnes 
angeschlossen. Dazwischen kommt noch eine 12V Pumpe 
(https://www.ebay.com/itm/DC5V-12V-6V-Mini-Diaphragm-Self-Priming-Water-Pump-Micro-Vacuum-Suction-Pump-DIY/262946798414?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&var=561952605575&_trksid=p2060353.m2749.l2649).

Das zu untersuchende Objekt (in meinem Fall ein Ferrari 250 GTO im 
Maßstab 1:38) befindet sich im Anschluss an die Nebeldüse. Zur richtigen 
Postierung habe ich mit einer Gewindestange und einem aufgeklebten 
Magneten ein in der Höhe variables Stativ gebastelt. Durch die 
Magnetverbindung können einfach auch andere Objekte (z.B. Tragflügel) 
untersucht werden.

Der Lüfter am Ende des Windkanals wird noch mit einem Halbellipsoid 
(ebenfalls 3D-gedruckt) versehen, damit die Luft möglichst ohne große 
Turbulenzen zu den Rotorblättern gelenkt wird.

Der Windkanal ist bis auf einige Kleinigkeiten soweit fertig. Wenn es 
Neuigkeiten gibt, melde ich mich wieder.

[Joe G. (feinmechaniker)]

Tolle Sache!
Die Idee die Trinkhalme als Strömungsgitter zu verwenden, finde ich sehr 
originell :-)

[Christoph E. (stoppi)]

Habe gestern das Basisliquid (0 mg Nikotin, 100% VG, also reines 
pflanzliches Glyzerin für sehr starken Nebel) besorgt. 1 Liter kostet 
nicht ganz 15 Euro.

Die gesponserten 3mm-Trinkhalme sind auch eingetrudelt und der 7mm 
Klemmring (https://www.maedler.de/Article/62388107) wurde 
dankenswerterweise von der Firma Mädler (https://www.maedler.de/) auch 
gesponsert. Bin sehr glücklich über die Unterstützung...

Die 12V-Pumpe 
(https://www.ebay.com/itm/DC5V-12V-6V-Mini-Diaphragm-Self-Priming-Water-Pump-Micro-Vacuum-Suction-Pump-DIY/262946798414?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&var=561952605575&_trksid=p2060353.m2749.l2649) 
für die Nebelmaschine ist auch schon seit einer Woche auf dem Weg zu 
mir. In der Zwischenzeit muss meine Lunge herhalten. ;)

[Christoph E. (stoppi)]

So, die 3D-Druckteile in Ferrari-Rot sind heute angekommen und passen 
sehr gut. Schön langsam bewege ich mich auf einen ersten Testlauf zu...

[Thomas F. (igel)]

Bleiben die Trinkhalme so lang?

In dieser Länge erzeugen die eine ordentliche Drosselwirkung. Ich würde 
hier eher auf eine Länge von ~5 bis max. 10 x Durchmesser gehen. So 
machen es auch andere:
https://www.aniprop.de/bau-eines-kleinen-windkanals

Und dort wo der eigentliche Prüfling im Luftstrom steht ist der 
Querschnitt des Kanals deutlich vergrößert um eine Drosselwirkung des 
Prüflings auf den Luftstrom zu verhindern:
https://de.wikipedia.org/wiki/Windkanal#/media/Datei:Windkanal-zeichnung.png

[Christoph E. (stoppi)]

So, schön langsam fügen sich die Teile zu einem Ganzen zusammen. Der 
Ferrari direkt aus Maranello ist eingetroffen, leider um den Faktor 38 
zu klein.

Dann sind gestern auch noch die 7mm Klemmringe von mädler angekommen. 
Habe nun einmal die Nebeldüse eingebaut, funktionierte eigentlich dank 
Moosgummi recht gut. Mein Sohn brachte mir dann auch noch seine alte, 
schon etwas mitgenommene E-Zigarette vorbei. Jetzt fehlt nicht mehr 
viel...

[Christoph E. (stoppi)]

Habe heute einen ersten Testlauf gestartet. Also, bei höherer 
Luftgeschwindigkeit (Lüfter an ca. 9-10V) ist die Strömung trotz 
Gleichrichter doch deutlich turbulent und die Nebellinien weiten relativ 
rasch auf. Bei niedrigerer Luftgeschwindigkeit (Lüfter nur an 5V) ist 
die Strömung schon deutlich laminarer :)

Ich werde aber noch einen zweiten, diesmal 3D-gedruckten Gleichrichter 
mit 40mm Tiefe vor den Lüfter postieren in der Hoffnung, dass dann der 
Raum zwischen den beiden Gleichrichtern möglichst ohne Turbulenzen ist.

[Holger D. (hodoe)]

Hallo,

also ich arbeite mir einem größeren Windkanal. Dabei handelt es sich um 
einen Göttinger Windkanal mit offener Messstrecke. Die Strömung läuft 
also einigermaßen im Kreis. Nur innerhalb der Messstrecke gibt es 
natürlich einen geringen Austausch mit der Umgebung.

Hinter den Gleichrichter (Honeycomb) haben wir noch drei Siebe mit 
abnehmender Maschenweite installiert. Dann kommt die Vorkammer und 
danach eine Düse, die für eine Kontraktion 5,25 zu 1 sorgt. All diese 
Maßnahmen verbessern die Strömung. Ganz laminar ist diese natürlich auch 
nicht.

Die Windkanäle die ich kenne, sind saugen. Bild Windkanal_09.jpg deutet 
eher auf pusten hin.



Gruß
Holger

[Christoph E. (stoppi)]

So, es geht weiter...

Habe nun den Lüfter vorne am Eingang nach dem Trichter eingebaut. Jetzt 
ist die Strömung nochmals besser geworden. Muss den Lüfter aber bei sehr 
geringer Drehzahl laufen lassen.

Ich werde jetzt noch einen Gleichrichter am Ausgang + eventuell einen 
zweiten Lüfter (eben am Ausgang) ausprobieren.

@Holger: Ja, der starke Windkanal zur Bestimmung des cw-Werts ist 
pustend

[Christoph E. (stoppi)]

Der Gleichrichter für den Ausgang wird gerade 3d-gedruckt. In der 
Zwischenzeit habe ich Ersatz-coils und ein Mundstück (daran klebe ich ja 
noch eine Schlauchtülle) für die E-Zigarette besorgt. Die Beleuchtung 
bestehend aus einem Band weißer LEDs ist auch schon einsatzfähig...

[Christoph E. (stoppi)]

Bis zum Eintreffen des ausgedruckten Gleichrichters habe ich es wieder 
mit Trinkhalmen probiert. Also es ist ziemlich schwierig eine möglichst 
laminare Strömung zu erzielen. Ich kann ja auch folgende Parameter 
verändern:

1.) Lüfterspannung vorne
2.) Lüfterspannung hinten
3.) Leistung der E-Zigarette
4.) Saugleistung der Pumpe (wenn sie eingetroffen ist)

Im Moment erziele ich recht gute Ergebnisse mit U_Lüfter_vorne = ca. 4V 
und U_Lüfter_hinten = ca. 8V

100% zufrieden bin ich noch nicht. Die Frage ist halt, ob ich mit meinen 
bewusst kompakten Aufbau überhaupt eine gescheite laminare Strömung 
erzielen kann...

[Joe G. (feinmechaniker)]

Ich finde das Ergebnis schon sehr beachtlich!
Ich denke das Problem liegt mehr an der Tatsache, dass die Stromfäden 
nach der Auffächerung durch Turbulenz nicht wieder zu schönen Stromfäden 
werden, sondern zu einem diffusen Nebel. In wie weit die Strömung 
laminar ist, kannst du doch sehr gut ohne Probekörper (Auto) testen.

[Christoph E. (stoppi)]

Heute ist der ausgedruckte Gleichrichter angekommen. Jetzt warte ich nur 
noch auf die Luftpumpe von pollin 
(https://www.pollin.de/p/luftpumpe-daypower-lp36-12-12-v-330071). Es 
sind zwar währenddessen schon 3 andere Luftpumpen aus China unterwegs, 
aber ich bin ein klein wenig ungeduldig geworden...

Den 8mm Schlauchverbinder habe ich auch schon in das Mundstück der 
E-Zigarette eingeklebt.

[Christoph E. (stoppi)]

Gestern ist die 12V-Luftpumpe von pollin angekommen. Leider sind die 
Resultate damit ernüchternd. Erstens ist der Nebel viel zu dünn, 
zweitens bildet sich ordentlich Kondensat in den Leitungen bzw. Pumpraum 
und drittens muss ich die E-Zigarette viel zu lange eingeschaltet 
lassen, sodass sie sehr heiß wird.

Es bleibt mir scheinbar nichts anderes übrig als wieder auf manuell 
(bzw. mit Lunge) umzusteigen. Wäre zwar schön gewesen, wenn ich durch 
die Pumpe einen gleichmäßigen und reproduzierbaren Ausfluss erzeugen 
hätte können...

Vielleicht sind die zwei anderen Pumpen aus China besser geeignet, 
obwohl ich dies eher nicht vermute. Aber testen werde ich es bestimmt...

Dann habe ich noch eine Testreihe ohne Auto gestartet und den vorderen 
Lüfter auf rund 4.5V eingestellt und den hintern zwischen 3V und 7V in 
0.5er Schritten variiert. Bei niedrigen Lüfterspannungen erhalte ich zum 
Teil eine schöner laminare Strömung als mit etwa 6.5V, nur ist das 
Problem, dass dann die Strömungsgeschwindigkeit zu gering ist und ohne 
Auto zwar passt, mit Auto aber dann durch das Hindernis zu stark 
verteilt wird. Daher haben sich hintere Lüfterspannungen um die 6V als 
optimal erwiesen. Dann fächern die Strömungslinien durch das Auto auch 
nicht so stark auf.

[Christoph E. (stoppi)]

Video: https://www.youtube.com/watch?v=-JiCXIoi2mE&feature=youtu.be

Was sagt ihr dazu? Verbesserungsvorschläge?

Die zweite Düse von oben zickt ein wenig rum. Da werde ich noch 
nachschauen, ob der Durchfluss ungehindert funktioniert...

[Christoph E. (stoppi)]

So, ich habe nun die zweite Düse von oben geputzt, nachdem deren 
Strömungslinie schief war und stärker aufspaltete. Nun bin ich 
eigentlich mit den Strömungslinien zufrieden. Anbei noch zwei aktuelle 
Aufnahmen...

[Joe G. (feinmechaniker)]

Wirklich gut, wie aus dem Lehrbuch :-)

[Christoph E. (stoppi)]

Danke...

Obwohl, das sind schon die besten Einzelbilder aus einem Video. Werde 
aber noch die Höhe des Autos auf dem Stativ optimieren. Ein Strahl 
trifft ja das Auto exakt auf Höhe des Kühlergrills, was nicht ideal ist.

Jetzt warte ich nur noch auf einen Anruf von Mercedes oder Ferrari 
zwecks Testfahrt mit einem 600PS-Boliden ;-)

[Walter T. (nicolas)]

Für die Größe sehen die Strömungslinien doch hervorragend aus. Ich komme 
bei einer Geschwindigkeit von 25 m/s und einer Länge von geschätzt 10 cm 
auf eine Reynoldszahl von grob 200000. Da eine ernsthaft laminare 
Zuströmung zu erreichen, ist sehr, sehr, sehr ambitioniert.

[Christoph E. (stoppi)]

Walter, die Geschwindigkeit ist viel, viel geringer. Ich schätze so um 
die 0.2-0.3 m/s. Dann ist die Reynoldszahl ca. 1460...

[Walter T. (nicolas)]

Christoph E. schrieb:
> Ich schätze so um
> die 0.2-0.3 m/s

Nanu? Stand oben nicht 90 km/h?

[Christoph E. (stoppi)]

Das ist mein anderer Windkanal zur Bestimmung des cw-Werts...

[Walter T. (nicolas)]

Hoppla, dann habe ich das mißverstanden.

Die Ansaug-Düsen der Einström-Windkanäle, die ich bis jetzt gesehen 
habe, haben übrigens alle einen Querschnitt wie einen Viertelkreis. 
Genau so, wie man in den Strömungstechnik-Lehrbüchern die "ideale 
Ansaugöffnung" darstellt. Material war üblicherweise Sperrholz.

[Christoph E. (stoppi)]

So, ich habe fertig...

Habe jetzt nur noch einen Lüfter hinten und dieser rennt mit 3.5V, also 
sehr, sehr langsam. Mit diesen Einstellungen erreiche ich aber sehr 
durchgehend schöne laminare Strömungslinien, nicht so wie vorher einige 
wenige Einzelbilder in einem ganzen Video.

Ich finde, man kann anhand der Abbildungen schön die positive 
Entwicklung hin zu immer besseren Ergebnissen erkennen...

https://www.youtube.com/watch?v=EviSJvzaRuM

[Joe G. (feinmechaniker)]

Wunderbar!

Kontinuierliche Arbeit trotz vieler Rückschläge, viele kleine 
wundervolle Detailideen, sauberer Aufbau und – lehrbuchreife Ergebnisse. 
Bei solchen engagierten Physikern wie dir, ist es mir um die Bildung 
unserer Jugend nicht bange :-)

Mein Glückwunsch

[Oliver P. (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Youtube-Video "DIY wind tunnel to visualize the flow lines like Ferrari
> or Mercedes - Windkanal für Strömungslinien"

Klasse Arbeit, aber die dramatische Musik in deinem Video übertrifft 
alles. Ich dachte zuerst ich höre irgendeine Musik aus Frankenstein ;)

Aber wirklich schönes Projekt! Gefällt mir gut, vor allem auch dein 
Ehrgeiz so etwas für andere auf die Beine zu stellen.

[Christoph E. (stoppi)]

Letzte Woche ist der etwas größere Porsche und heute der 3D-gedruckte 
Tragflügel angekommen. Anbei noch einige Bilder davon. Beim steileren 
Anstellwinkel bilden sich deutlich Wirbel am Ende des Tragflügels.

Damit ist dieses Projekt für mich abgeschlossen...