Strömungskanal nach Prandtls Vorbild

26.06.2014

Strömungskanal nach Prandtls Vorbild

Studierende entwickeln Wasserumlaufkanal zur Strömungsvisualisierung

Studierende am Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA) haben im Rahmen eines Advanced Design Projekts (ADP) einen Wasserumlaufkanal zur Strömungsvisualisierung erstellt. Mit ihm können grundlegende Strömungsexperimente demonstriert und im Hörsaal visualisiert werden. Vorbild war unter anderem ein Wasserversuchskanal des Physikers und Strömungsmechanikers Ludwig Prandtl (1875-1953).

Der Wasserumlaufkanal des Fachgebiets Strömungslehre und Aerodynamik (SLA) zur Strömungsvisualisierung im Hörsaal. Foto: Sebastian Keuth
Der Wasserumlaufkanal des Fachgebiets Strömungslehre und Aerodynamik (SLA) zur Strömungsvisualisierung im Hörsaal. Foto: Sebastian Keuth

Das Projekt startete im März 2014 mit einem Besuch im Schoollab des DLR in Göttingen, welches über einen Nachbau des ursprünglichen Versuchskanals (siehe Abbildung) von Ludwig Prandtl (1875-1953) verfügt. Mit vielen Ideen im Handgepäck und eigenen Vorstellungen entwickelte die ADP-Gruppe bestehend aus Andreas Bauer, Christoph Schäfer, Matthias Schäfer und Christian Wolf einen Kanal, bei dem das Wasser horizontal in einer Plexiglasstrecke umläuft.

Der Wasserumlaufkanal nimmt etwa die Größe eines Tisches ein und ermöglicht, grundlegende Strömungsexperimente im Rahmen der Technischen Strömungslehre (TSL) von Professor Cameron Tropea zu demonstrieren und im Hörsaal zu visualisieren. Unterstützt und betreut wurde die Gruppe in fachlicher und handwerklicher Richtung von Tim Geelhaar aus der SLA-Werkstatt und den wissenschaftlichen Mitarbeitern Daniel Freudenhammer, Rüdiger Röhrig und Florian Wassermann.

Teilchenbahnen auf der Hörsaal-Leinwand

Die Strömung wird durch ein Schaufelrad erzeugt, welches durch einen Elektromotor oder per Handkurbel angetrieben werden kann. Um die Strömung sichtbar zu machen werden dem Wasser Aluminiumpartikel zugesetzt, welche an der Wasseroberfläche verbleiben und somit das Licht reflektieren. Eine monochrome Kamera mit geeignetem Objektiv zeichnet das Bild über der Teststrecke auf.

Durch Anpassen der Bildaufzeichnungsrate und Belichtungszeit verschwimmen die reflektierenden Alupartikel in den vorgesehen Strömungsversuchen und können im aufgezeichneten Bild als Teilchenbahnen wahrgenommen werden. Übertragen auf den Lichtbildprojektor im Hörsaal können die Studenten der Vorlesung TSL einen Eindruck von verschiedenen Strömungen gewinnen und somit die etwas „trockene“ Theorie dahinter besser verstehen.

Zu den visualisierbaren Strömungen zählen beispielsweise die Umströmung verschiedener Tragflügelprofile, die Umströmung eines Zylinders (Kármánsche Wirbelstraße) oder die Staupunktströmung vor einer Wand. Ebenso ist es möglich bei ausgeschaltetem Schaufelrad, und dadurch ruhendem Wasser, ein Profil durch die Teststrecke zu ziehen (Schleppströmung), um somit den Anfahr- und Stoppwirbel zu demonstrieren.

Neben dem Einsatz in der Vorlesung, wird der Wasserkanal im SLA auf dem Campus Griesheim ausgestellt und kann so zur Strömungsdemonstration vor Schulklassen und anderen Besuchergruppen genutzt werden.

Ludwig Prandtl 1904 mit dem sogenannten Prandtl-Kanal zur Visualisierung von Strömungsvorgängen. Oberhalb ist eine Kamera angebracht. Bild: DLR-Archiv Göttingen
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Ludwig Prandtl 1904 mit dem sogenannten Prandtl-Kanal zur Visualisierung von Strömungsvorgängen. Oberhalb ist eine Kamera angebracht. Bild: DLR-Archiv Göttingen

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