Echte Windkan\u00e4le sind teuer. Und auch die ma\u00dfstabgetreuen Modelle der Objekte, die auf ihren Windwiderstand hin getestet werden, sind teuer. In der Formel 1 hat daher der Computer nicht nur das gute, alte Zeichenbrett zum Design der Boliden schon seit Langem abgel\u00f6st. Die Teams z\u00e4hlen auch immer mehr auf CDF-Simulationen (Computational fluid dynamics) anstatt auf aufw\u00e4ndige Tests in physischen Windkan\u00e4len. Diese Entwicklung k\u00f6nnte nun bald auch bei der Konstruktion von Autos, Schiffen und auch Flugzeugen Einzug halten.<\/p>\n\n\n\n
Abgesehen von den weit geringeren Kosten im Vergleich zu physischen Windkan\u00e4len, hat die digitale Darstellung der Str\u00f6mungsverh\u00e4ltnisse einen weiteren, gro\u00dfen Vorteil: Digitale Simulationen sind detailgenauer und liefern die Daten schneller als physische Windkanal-Experimente. Ein Team von Wissenschaftlern aus Gro\u00dfbritannien, den USA, Japan, Kanada und Deutschland hat jetzt gezeigt, wie man Flugzeuge mit Hilfe von digitalen Windkan\u00e4len effizienter und sparsamer zu machen k\u00f6nnte.<\/p>\n\n\n\n
Momentan werden Triebwerksturbinen mit einer Kombination aus RANS-Simulationen (Reynolds Averaged Navier Stokes) und Tests im Windkanal entworfen. Dabei versucht man mit den RANS-Simulationen, das Verhalten der turbulenten Str\u00f6mung mit Hilfe von N\u00e4herungsmodellen zu erfassen. Die Genauigkeit dieser Simulationen l\u00e4sst jedoch zu w\u00fcnschen \u00fcbrig, besonders bei instation\u00e4ren Str\u00f6mungen. Reale Windkanaltests sind zudem nicht nur kostspielig, sondern auch zeitaufwendig und liefern oft nur begrenzte Daten.<\/p>\n\n\n\n
Daher r\u00fccken die direkten numerischen Simulationen immer mehr in den Vordergrund, da sie genauer sind und alle Aspekte der turbulenten Str\u00f6mungsphysik direkt erfassen. So werden auch ohne Windkanaltests genaue Vorhersagen m\u00f6glich. Bei ihrer Studie konzentrierten sich die Forscher darauf, das Design von Turbinenschaufeln f\u00fcr D\u00fcsentriebwerke zu optimieren und dadurch gr\u00f6\u00dfere Gewichtseinsparungen zu erzielen. So k\u00f6nnte der Treibstoffverbrauch der Flugzeuge gesenkt werden und gleichzeitig auch die klimasch\u00e4dlichen Emissionen.<\/p>\n\n\n\n
“Unsere Simulationen sind aus mehreren Gr\u00fcnden aufregend”, sagt der Hauptautor in der Zeitschrift Computers & Fluids<\/a> ver\u00f6ffentlichten Arbeit, Professor Peter Vincent vom Imperial’s Department of Aeronautics<\/a>. “Erstens liefern sie uns genauere und detailliertere Daten, so dass wir viel \u00fcber die zugrundeliegende Str\u00f6mungsphysik lernen und sie m\u00f6glicherweise nutzen k\u00f6nnen, um neue Turbulenzmodelle mit Hilfe von Ans\u00e4tzen des maschinellen Lernens zu trainieren.”<\/p>\n\n\n\n Zweitens k\u00f6nnte man mit den Fortschritten in der Computer-Hardware die Daten vielleicht bald schneller und kosteng\u00fcnstiger erfassen als bei physischen Windkanalversuchen. “Auch wenn digitale Windkanaltests physische Windkan\u00e4le erst in einigen Jahren ersetzen werden, deutet unsere Studie darauf hin, dass sie jetzt eine reale M\u00f6glichkeit sind”, so Vincent.<\/p>\n\n\n\n W\u00e4hrend es bei der aktuellen Studie speziell um Tests von Turbinenschaufeln von D\u00fcsentriebwerken ging, k\u00f6nnten die Ergebnisse auch auf viele andere Bereiche, wie die Konstruktion von U-Booten, Autos, Hochh\u00e4usern und Windturbinen n\u00fctzlich sein. Noch testen die Ingenieure hier in Windkan\u00e4len. “Zu den Anwendungen, die \u00fcber Turbomaschinen hinausgehen, geh\u00f6ren die Bereiche Schifffahrt, Automobil und gr\u00fcne Energie, wo wir hoffen, dass die Technologie in den kommenden Jahren eine wichtige Rolle spielen wird”, erkl\u00e4rt Professor Vincent. Diese digitalen Windkan\u00e4le k\u00f6nnten sowohl Kosten reduzieren als auch zu verbesserten Designs f\u00fchren.<\/p>\n\n\n\n Auch interessant: Echte Windkan\u00e4le sind teuer. Und auch die ma\u00dfstabgetreuen Modelle der Objekte, die auf ihren Windwiderstand hin getestet werden, sind teuer. In der Formel 1 hat daher der Computer nicht nur das gute, alte Zeichenbrett zum Design der Boliden schon seit Langem abgel\u00f6st. 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