Document ID: /fineweb-2-swissfilter-quality_10-filterrobots/filtered/03453.jsonl.gz/1551

Physik | Technik
Cosey Cuan, 2001 | Basel, BS
Diese Arbeit beinhaltet die Konzeption und Bau eines Windkanals, der grösstenteils aus 3D-gedruckten Komponenten besteht. Darin wurden mit einer Nebelmaschine die Stromlinien über verschiedenen Körpern visualisiert, d.h. über einem Quader, einem Zylinder, einem Modellauto, einem Propeller und einem Flügelprofil, das in verschiedenen Winkeln angestellt wurde. Des Weiteren wurden mit zwei Kraftsensoren der Auftrieb und der Strömungswiderstand gemessen. Dabei wurde auf dem Kraftsensor unter dem Testabschnitt ein Flügelprofil befestigt, dessen Anstellwinkel justierbar war. Damit wurde der Auftrieb gemessen. Der Kraftsensor für den Strömungswiderstand befand sich ausserhalb des Windkanals stromauf vom Einlass. Dabei wurde der Sensor mit einem Faden mit dem Flügelprofil verbunden. Schlussendlich konnte der Strömungsabriss auf der Saugseite des Flügelprofils in den Messungen nachgewiesen und mit der Nebelmaschine sichtbar gemacht werden ab dem kritischen Anstellwinkel von etwa 15°. Alles zusammengefasst erforderte die Arbeit viel Zeit bei der Entwicklung der Komponenten. Es wurden insgesamt drei Versionen des Windkanals kreiert, sechs Versionen des Flügelrades und drei Versionen des Flügelprofils.
Fragestellung
(I) Wie genau kann ich anhand eines selbstgebauten Windkanals den Strömungswiderstand und den dynamischen Auftrieb messen? (II) Wie kann ich am besten demonstrieren wie der Luftstrom über einfache geometrische Körper oder ein Flügelprofil fliesst und somit den «kritischen Anstellwinkel» vorzeigen?
Methodik
Zuerst wurde die grundlegende Theorie zu dem dynamischen Auftrieb und Strömungswiderstand gelesen und weitere Informationen beschafft zu Windkanälen und das 3D-Drucken. Sofort wurde ein eigenes 3D-Drucker gekauft, um die Grundlagen bzw. CAD-Programm (Fusion 360) und Slicer-Programm (Cura) zu lernen. Danach wurden die Materialien besorgt. Der Windkanal bestand vor allem aus PVC-Platten, Plexiglas und 3D-gedruckten Teilen. Für die Visualisierung der Strömungslinien wurde zusätzlich eine Nebelmaschine gekauft. Damit wurden die Strömungslinien über verschiedene Körper visualisiert. Dabei wurde der Flügelprofil in unterschiedlichen Anstellwinkel in 5° Abständen von -20° bis 20° gestellt. Für die Messung wurden zwei Kraftsensoren benutzt bzw. der Economy Force Sensor (CI-6746) von Pasco. Das Flügelprofil, das auf dem Kraftsensor für den dynamischen Auftrieb befestigt wurde, wurde in 5° Abständen zwischen -25° und 25° gestellt.
Ergebnisse
Bei einem Anstellwinkel von 0° sind die Abstände zwischen den Strömungslinien oberhalb der Tragfläche kleiner als unterhalb der Tragfläche. Dabei sieht man den Bernoulli-Effekt: Oberhalb der Tragfläche (der «Saugseite») nimmt die Geschwindigkeit zu, entsprechend nimmt der Druck ab. Zusätzlich wurde ab einem Anstellwinkel von 15° der Strömungsabriss (engl. «Stall») auf der Saugseite beobachtet, es resultierten daraus Wirbel, die den Auftrieb stark verringern. Die Messwerte des Auftriebs und Strömungswiderstands wurden einheitslos als Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte in einer Lilienthalpolare dargestellt. Dabei wurde das beste Gleiten bei einem Anstellwinkel von 10° bestimmt mit einer Gleitzahl von 9.8, entsprechend einem Gleitwinkel von 6°: Das Profil legt antriebslos bei einer Flughöhenabnahme von einem Meter eine Distanz von 9.8 m zurück. Ausserdem wurde der maximale Auftrieb bei einem Anstellwinkel von 15° ermittelt.
Diskussion
Die Annahme, dass der kritische Anstellwinkel bei etwa 15° liegt, wurde visuell mit der Nebelmaschine und in den Messwerten nachgewiesen. Mit der einheitslosen Darstellung der Messwerte in der Lilienthalpolare, konnten Eigenschaften des Profils bestimmt werden. Über die Genauigkeit der Messwerte wurden jedoch keine Aussagen getroffen. Zudem wurde die Strömungsgeschwindigkeit im Testabschnitt gar nicht gemessen.
Schlussfolgerungen
Der Umfang dieser Maturaarbeit war für die gegebene Zeitspanne zu gross. Dabei wurde viel recherchiert, gebaut und ausprobiert. Letztendlich wurde ein funktionierender Windkanal gebaut. Daraus ergaben sich schöne Strömungslinien-Bilder über verschiedene Körper. Zudem haben die Messwerte viel über das Profil ausgesagt. In der Zukunft wäre es noch interessant die Strömungsgeschwindigkeit im Testabschnitt zu bestimmen.
Würdigung durch den Experten
Prof. Dr. Daniel Weiss
Die Arbeit beschreibt Messungen von Auftrieb und Widerstand umströmter Objekte. Dazu wurde eigens ein Windkanal mit seinen Komponenten konzipiert und aufgebaut. Die entsprechenden Herausforderungen wurden mit viel Ausdauer und handwerklichem Geschick angegangen, da und dort ergänzt durch theoretische Kenntnisse. Ergebnisse wie Strömungsabriss und Lilienthalpolare sind plausibel und in qualitativer Übereinstimmung mit der Literatur. Die quantitative Einordnung und die Ermittlung dimensionsloser Beiwerte sind dagegen schwierig wegen der nur approximativen Bestimmung der Anströmgeschwindigkeit.
Prädikat:
gut
Gymnasium Kirschgarten, Basel
Lehrer: Thomas Strub