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Die Erfindung betrifft einen Windkanal mit einem darin angeordneten Modell, insbesondere einem Modell eines Luftfahrzeugs, zur Erfassung und Auswertung einer Vielzahl von Messdaten, wobei der Windkanal mindestens eine Rechnereinheit und mindestens ein Datensichtgerät, insbesondere mindestens einen Bildschirm, sowie mindestens einen Sensor zur Erfassung der Messdaten aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung einer Vielzahl von Messdaten aus einem Windkanal mit einem darin angeordneten Modell, insbesondere einem Modell eines Luftfahrzeugs, wobei die mittels mindestens eines Sensors ermittelten Messdaten aus dem Windkanal, insbesondere Messdaten über Druck- und Strömungszustände am Modell und/oder im Bereich des Modells, in mindestens eine Rechnereinheit mit mindestens einem Datensichtgerät, insbesondere mindestens einem Bildschirm, übertragen werden.
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Bei der Auswertung von Messdaten aus bekannten Windkanälen werden die Messdaten zumindest numerisch angezeigt und zur besserer Darstellbarkeit gegebenenfalls auf einem Computermonitor und/oder einem Drucker zweidimensional, beispielsweise als xy-Plot, dargestellt. Während einer laufenden Windkanalmessung erfolgt die Ausgabe einzelner Messpunkte in der Regel schon während der Messung auf einem Bildschirm, während eine Druckausgabe einer aus einer Vielzahl von Einzelmessungen bestehenden Messreihe erst nach der vollständigen Aufnahme eine umfassendere Analyse der Daten zu Interpretationszwecken erlaubt. Bislang kann eine Auswertung der Daten und der daraus abzuleitenden Maßnahmen, wie zum Beispiel eine Änderung der Einstellgrößen oder dergleichen, erst nach einer menschlichen Inaugenscheinnahme erfolgen.
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EP 1 024 457 B1 beschreibt ein Verfahren zur Darstellung von durch Oberflächenelemente repräsentierten grafischen Objekten.
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EP 0 478 780 51 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Druckverteilung eines kontinuierlichen flüssigen Mediums an der Oberfläche eines Gegenstandes.
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WO 97/39 334 A1 beschreibt ein Verfahren zur Druckbestimmung.
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US 2004/02 53 107 A1 beschreibt ein Positionierungssystem für Windtunnel sowie dessen Verwendung.
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DE 3 826 379 C1 beschreibt eine Wärmebildkamera mit einem gekühlten Detektormosaik.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Ausführungsformen von Windkanälen bzw. die Nachteile bei der Erfassung und Auswertung von aus bekannten Windkanalsystemen gewonnenen Messdaten weitgehend zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Windkanal nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Vielzahl von Messdaten aus dem Windkanal, insbesondere Messdaten über Strömungs- und/oder Druckzustände am Modell und/oder im Bereich des Modells, die mittels des wenigstens einen Sensors erfassbar sind, in Echtzeit und unter Berücksichtigung von Geometriedaten des Modells mittels der wenigstens einen Rechnereinheit aufbereitbar und während einer Windkanalmessung auf dem wenigstens einen Datensichtgerät visualisierbar sind, kann die Plausibilität der aus dem erfindungsgemäßen Windkanal gewonnenen Messdaten schnell überprüft werden. Die Geometriedaten des Windkanalmodells stammen hierbei vorzugsweise aus einem CAD-Programm, das bei dessen Konstruktion eingesetzt wurde.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Windkanals sieht vor, dass die Messdaten mittels der wenigstens einen Rechnereinheit auf dem wenigstens einen Datensichtgerät zur Visualisierung dreidimensional grafisch darstellbar sind.
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Hierdurch ist eine besonders anschauliche Darstellung der gewonnenen Messdaten möglich. Bevorzugt werden die Strömungs- und Druckverhältnisse im Bereich des Modells im Windkanal hierbei durch dreidimensionale Vektoren dargestellt, die eine intuitive Analyse der Luftströmung ermöglichen.
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Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Windkanals ist vorgesehen, dass die dreidimensionale grafische Darstellung der Messdaten auf dem wenigstens einen Datensichtgerät mittels eines Steuergeräts interaktiv beeinflussbar ist.
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Bevorzugt ist das Steuergerät als dreidimensionale Maus, Joystick oder dergleichen ausgebildet, so dass sich ein Betrachter durch die Betätigung des Steuergeräts frei innerhalb der durch dreidimensionale Vektoren visualisierten Strömungsverhältnisse im Windkanal bewegen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Windkanals sieht vor, dass eine Position des wenigstens einen Sensors im Raum in Abhängigkeit von den Messdaten mittels wenigstens einer Positioniereinrichtung kontrolliert von der Rechnereinheit variierbar ist.
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Mittels der Rechnereinheit werden zunächst die von dem mindestens einen Sensor übermittelten Messdaten in Echtzeit ausgewertet, um Kennwerte zu bestimmen, anhand derer erforderlichenfalls die Position des Sensors im Windkanal verändert werden kann. Hierdurch lässt sich der mindestens eine Sensor beispielsweise in Wirbelkernbereiche des Luftstroms im Windkanal verfahren, wobei die Steuerung bzw. die Regelung des Positioniervorgangs des Sensors gleichfalls von der Rechnereinheit überwacht wird. Somit lässt sich der Fokus der dreidimensionalen grafischen Darstellung automatisch auf aerodynamisch relevante bzw. interessante Bereiche des Luftstroms, in denen zum Beispiel Turbulenzen existieren, ausrichten.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Position des Modells im Raum in Abhängigkeit von den Messdaten mittels einer Positioniereinrichtung kontrolliert von der Rechnereinheit variierbar ist.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht es, zusätzlich die Lage des Modells im Raum, also beispielsweise den Anstellwinkel des Modells in Bezug auf den Luftstrom im Windkanal, in Abhängigkeit von den Messwerten und gesteuert bzw. geregelt von der Rechnereinheit zu verändern. Dies kann zum Beispiel erforderlich sein, wenn die Auswertung der Messdaten mittels der Rechnereinheit zu Kennwerten führt, die auf Turbulenzen im Luftstrom hindeuten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Windkanals sieht vor, dass mittels einer Windkanalsteuereinrichtung Betriebsparameter des Windkanals, insbesondere die Drehzahl eines Antriebsmotors eines Gebläses des Windkanals, in Abhängigkeit von den Messdaten von der Rechnereinheit beeinflussbar sind.
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Mittels der Rechnereinheit ist somit die Geschwindigkeit des Luftstromes im Windkanal beeinflussbar. Darüber hinaus lassen sich weitere Betriebsparameter des Windkanals, wie zum Beispiel die Lufttemperatur des Luftstroms, gesteuert bzw. geregelt von der Rechnereinheit erforderlichenfalls verändern.
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Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Dadurch, dass unter Berücksichtigung von Geometriedaten des Modells die Messdaten in der wenigstens einen Rechnereinheit in Echtzeit aufbereitet und auf dem wenigstens einen Datensichtgerät während einer Windkanalmessung visualisiert werden, ist schon während einer laufenden Windkanalmessung eine zuverlässige Analyse, insbesondere eine Plausibilitatsprüfung, der aus der Windkanalmessung gewonnenen Messdaten, möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Windkanals und des Verfahrens sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
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In der Zeichnung zeigt:
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1 Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Windkanals mit einem Windkanal.
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Anhand der 1 sollen sowohl der Windkanal als auch das zur Auswertung von Windkanaldaten eingesetzte erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.
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Die 1 zeigt einen schematisierten Aufbau des Windkanals zur Erfassung und Auswertung von Messdaten.
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In einem Windkanal 1 werden Messdaten 2, 3, insbesondere Strömungs- und Druckzustände, mittels eines Sensors 4 beispielsweise in einem hinteren Bereich eines Modells 5 eines Luftfahrzeugs aufgenommen. Mittels derartiger Messungen können beispielsweise Wirbelschleppen ausgemessen werden. Bei dem Sensor 4 kann es sich zum Beispiel um eine so genannte ”5-Loch-Sonde” handeln. Der Sensor 4 lässt sich beliebig innerhalb des Windkanals 1 positionieren. Anstatt des im Raum frei positionierbaren Sensors 4 können auch eine Vielzahl von Sensoren fest in das Modell 5 integriert sein, um beispielsweise die Strömungs- und Druckzustände im Bereich der Tragflächen zu erfassen.
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In den Messwandlern 6, 7 werden die Messdaten 2, 3 vorverarbeitet, beispielsweise verstärkt, gedämpft, gefiltert, verzögert oder auf andere Art und Weise geeignet verändert. Die aufbereiteten Messdaten 8, 9 gelangen im Anschluss zu einer Rechnereinheit 10.
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In der Rechnereinheit 10 erfolgt die Umwandlung der aufbereiteten Messdaten 8, 9 zu Kennwerten und einer dreidimensionalen Darstellung, um eine möglichst anschauliche Visualisierung der Messdaten 8, 9 zu erzielen. Auf einem Datensichtgerät 11, beispielsweise einem Bildschirm, werden die mittels der Rechnereinheit 10 generierten dreidimensionalen Darstellungen der Messdaten 8, 9 zur Anzeige gebracht. Eine exemplarische dreidimensionale grafische Darstellung 12 zeigt Strömungs- und Druckzustände im Bereich einer Oberseite der Tragfläche des Modells 5. Eine weitere dreidimensionale grafische Darstellung 13 zeigt zum Beispiel Strömungs- und Druckzustände in einem hinteren Bereich des Modells 5, bei denen es sich um eine so genannte Wirbelschleppe handelt. In den gezeigten dreidimensionalen grafischen Darstellungen 12, 13 können unterschiedliche Messdaten 8, 9 im Bedarfsfall jeweils farblich unterschiedlich hervorgehoben sein, um eine für einen Betrachter übersichtlichere Darstellung zu erreichen.
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Die Aktualisierung der dreidimensionalen grafischen Darstellung 12, 13 der Strömungs- und Druckzustände erfolgt in Echtzeit, schon während der aktuellen, laufenden Windkanalmessung. Hierdurch lässt sich Zeit einsparen und zugleich die Plausibilität der aufbereiteten Messdaten 8, 9 auf einfache Art und Weise intuitiv überprüfen, so dass sich Messfehler leichter erkennen lassen. Darüber hinaus können aerodynamische Optimierungen schneller durchgeführt werden, da beispielsweise die Auswirkungen von Änderungen an der Geometrie des Modells unmittelbar anhand der dreidimensionalen grafischen Darstellung der Strömungs- und Druckzustände beobachtet bzw. beurteilt werden können.
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Mittels eines nicht dargestellten Steuergeräts, beispielsweise in der Form einer dreidimensionalen Maus, eines Joysticks oder dergleichen, kann der Blickwinkel, unter dem die dreidimensionalen grafischen Darstellungen 12, 13 auf dem Datensichtgerät 11 visualisiert werden können bzw. der Standpunkt eines virtuellen Betrachters in Bezug auf das Modell 5 im Windkanal 1, beliebig und in Echtzeit variiert werden.
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Um die räumliche Gestalt des Modells 5 zur Generierung der dreidimensionalen grafischen Darstellung 12, 13 der Strömungs- und Druckzustände möglichst genau berücksichtigen zu können, werden zusätzlich eine Vielzahl von Geometriedaten 14 des Modells 5 in die Rechnereinheit 10 eingespeist. Die Geometriedaten 14 können beispielsweise aus einem Konstruktionssystem 15 abgeleitet werden, das für die Entwicklung des Modells 5 herangezogen wurde und das die entsprechenden dreidimensionalen Daten enthält. Die Geometriedaten 14 liegen vorzugsweise in der Form von Oberflächenpunkten mit jeweils drei Raumkoordinaten vor.
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Die Rechnereinheit 10 kann als ein Digitalrechner, beispielsweise als leistungsstarker Standard-PC, als Workstation oder dergleichen ausgebildet sein. Die Kommunikation zwischen dem Sensor 4, den Messwandlern 6,7, der Rechnereinheit 10 sowie dem Konstruktionssystem 15 erfolgt durch standardisierte bekannte Informationsübertragungssysteme, wie zum Beispiel Ethernet®, Profi-Bus® oder dergleichen.
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Weiterhin verfugt der Windkanal 1 über einen Antriebsmotor 16 zum Antrieb eines Gebläses 17, der neben weiteren nicht dargestellten Einrichtungen des Windkanals 1 von einer Windkanalsteuereinrichtung 18 geregelt bzw. gesteuert wird. Insbesondere lässt sich mittels der Windkanalsteuereinrichtung 18 die Drehzahl des Antriebsmotors 16 und damit die Strömungsgeschwindigkeit eines den Windkanal 1 durchsetzenden und vom Gebläse 17 erzeugten Luftstroms 19 verändern. Mittels einer Steuerleitung 20 ist die Windkanalsteuereinrichtung 18 mit der Rechnereinheit 10 verbunden.
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Durch eine optionale Positioniereinrichtung 21 ist die Lage des Modells 5 im Raum auch während einer laufenden Messung nahezu beliebig im Windkanal 1 variierbar. Die Bewegungsmöglichkeiten des Modells 5 in Richtung der x-, der y- sowie der z-Achse des Raums sind durch ein Koordinatensystem 22 veranschaulicht. Darüber hinaus kann eine zusätzliche Verschwenkbarkeit des Modells 5, beispielsweise um mindestens die y-Achse des Koordinatensystems 22 vorgesehen sein.
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Die Positioniereinrichtung 21 zur Durchführung der Lageveränderungen des Modells 5 im Windkanal 1 ist mittels einer weiteren Steuerleitung 23 mit der Rechnereinheit 10 verbunden. Die Lageveränderungen des Modells 5 erfolgen durch die Positioniereinrichtung 21 und werden hierbei von der Rechnereinheit 10 in Echtzeit gesteuert bzw. geregelt. Aus den Messdaten 2, 3, 8, 9 kann die Rechnereinheit 10 zu diesem Zweck Kennwerte ermitteln, anhand derer sich Positionssollwerte für eine Lageveränderung des Modells 5 ermitteln lassen. Hierdurch lässt sich gesteuert bzw. geregelt von der Rechnereinheit 10, beispielsweise der Anstellwinkel des Modells 5 in Bezug auf den Luftstrom 19 mittels der Positioniereinrichtung 21 verringern, wenn in bestimmten Bereichen des Luftstroms 19 aerodynamische Anomalien, wie zum Beispiel Turbulenzen oder dergleichen, auftreten. Die Positioniereinrichtung 21 verändert hierbei die Lage des Modells 5 im Luftstrom 19 solange, bis die von der Rechnereinheit 10 vorgegebenen Positionssollwerte erreicht sind.
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Der Sensor 4 ist gleichfalls optional mittels der Positioniereinrichtung 24 in allen Richtungen des Raums frei positionierbar ausgebildet. Die Steuerung bzw. die Regelung der Positioniereinrichtung 24 erfolgt gleichfalls durch die Rechnereinheit 10, wobei die Rechnereinheit 10 mittels der Steuerleitung 25 mit der Positioniereinrichtung 24 des Sensors 4 verbunden ist.
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Die Option der freien Positionierbarkeit des Sensors 4 im Raum ermöglicht es unter anderem, den Fokus der von der Rechnereinheit 10 generierten dreidimensionalen grafischen Darstellungen 12, 13 erforderlichenfalls selbsttätig auf aerodynamisch relevante bzw. kritische Bereiche des Luftstroms 19, beispielsweise auf Turbulenzen im Bereich des Modells 5, zu richten. Dies kann zum Beispiel durch eine Berechnung der so genannten ”Zirkulation” aus den Messdaten 2, 3, 8, 9 eines beispielsweise als ”5-Loch-Sonde” ausgebildeten Sensors 4 erfolgen. Durch die Ermittlung der ”Zirkulation” lasst sich die voraussichtliche Lage eines Wirbelkerns im Luftstrom 19 bestimmen. Dieser Kennwert betrifft die räumliche Lage des Wirbelkerns und wird als ein Positionssollwert für die räumliche Position des Sensors 4 von der Rechnereinheit 10 an die Positioniereinrichtung 24 übermittelt, sodass der Sensor 4 selbsttätig auf diesen von der Rechnereinheit 10 ermittelten Positionssollwert, der in der Regel eine für die dreidimensionale grafische Darstellung sowie die Auswertung geeignetere Messposition darstellt, verfahren wird.
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Darüber hinaus kann zum Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms 19 mittels der Windkanalsteuereinrichtung 18 oder auch eine Drehzahl eines Triebwerksimulators (TPS) am Modell 5 kontrolliert von der Rechnereinheit 10 verändert werden, um ein bestimmtes Geschwindigkeitsverhältnis des mit dem Triebwerksimulators erzeugten Triebwerkstrahls in Relation zur Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms 19 zu erzeugen. Erforderlichenfalls kann auch die Temperatur des Luftstroms 19 von der Rechnereinheit 10 in Abhängigkeit von den Messdaten 2, 3, 8, 9 gesteuert bzw. geregelt werden.
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Die Steuerleitungen 20, 23, 25 können gleichfalls mit bekannten Informationsübertragungssystemen, wie zum Beispiel Ethernet®, Profibus® oder dergleichen, gebildet sein. Anstatt des einen exemplarisch gezeigten Sensors 4 können eine Vielzahl von Sensoren im Bereich des Modells 5 oder auch unmittelbar am Modell 5 angeordnet sein. Darüber hinaus können Sensoren eingesetzt werden, die eine Vielzahl von Messdaten, beispielsweise entlang einer Linie, ermitteln (sog. Rechensensoren). Werden mehrere Sensoren im Windkanal 1 vorgesehen, so sind diese vorzugsweise jeweils auf einer Positioniereinrichtung angeordnet, sodass die Positionen der Sensoren im Raum jeweils unabhängig voneinander durch die Rechnereinheit 10 kontrollierbar sind.
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Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gestaltet sich wie folgt:
Während des Ablaufs der jeweils aktuellen Messung im Windkanal 1 am Modell 5 nimmt der Sensor 4 ständig die Messdaten 2, 3 auf, die zu den Messwandlern 6, 7 weiter geleitet werden. In den Messwandlern 6, 7 erfolgt die geeignete messtechnische Aufbereitung der Messdaten 2,3. Die so aufbereiteten Messdaten 8, 9 werden an die Rechnereinheit 10 zur Weiterverarbeitung weitergeleitet. In der Rechnereinheit 10 selbst erfolgt dann unter Berücksichtigung der Geometriedaten 14 des Konstruktionssystems 15 die Umwandlung der numerischen Messdaten 8, 9 in eine dreidimensionale grafische Darstellung 12, 13, die in Echtzeit auf dem Datensichtgerät 11 sichtbar gemacht wird. Die Generierung der dreidimensionalen grafischen Darstellungen 12, 13, die die Strömungs- und Druckzustände im Bereich des Modells 5 im Windkanal 1 zu einem bestimmten Zeitpunkt repräsentieren, erfolgt mit sehr hoher Geschwindigkeit und daher nahezu verzögerungslos, das heißt in Echtzeit, so dass schon während einer laufenden Windkanalmessung Plausibilitätserwägungen hinsichtlich der Messdaten 2, 3, 8, 9 gemacht werden können. Darüber hinaus werden die Auswirkungen von Änderungen an der Geometrie des Modells 5, beispielsweise zum Zweck einer aerodynamischen Optimierung des Modells 5 oder dergleichen, nahezu unverzüglich auf dem Datensichtgerät 11 sichtbar gemacht, so dass bisher langwierige Optimierungsprozesse erheblich beschleunigt werden können.
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Darüber hinaus lassen sich, wie im Rahmen der Beschreibung des Windkanals 1 erläutert wurde, mittels der Rechnereinheit 10 eine Vielzahl von Kennwerten ermitteln. Anhand dieser Kennwerte lassen sich zum Beispiel die Position des Sensors 4, die Lage des Modells 5 im Windkanal 1, die Drehzahl des Antriebsmotor 16 des Gebläses 17 und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms 19 im Windkanal 1 in Echtzeit jeweils gesteuert bzw. geregelt von der Rechnereinheit 10 variieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkanal
- 2
- Messdaten
- 3
- Messdaten
- 4
- Sensor
- 5
- Modell
- 6
- Messwandler
- 7
- Messwandler
- 8
- Messdaten (aufbereitet)
- 9
- Messdaten (aufbereitet)
- 10
- Rechnereinheit
- 11
- Datensichtgerät
- 12
- dreidimensionale grafische Darstellung
- 13
- dreidimensionale grafische Darstellung
- 14
- Geometriedaten
- 15
- Konstruktionssystem
- 16
- Antriebsmotor
- 17
- Gebläse
- 18
- Windkanalsteuereinrichtung
- 19
- Luftstrom
- 20
- Steuerleitung
- 21
- Positioniereinrichtung (Modell)
- 22
- Koordinatensystem
- 23
- Steuerleitung
- 24
- Positioniereinrichtung (Sensor)
- 25
- Steuerleitung
