Grenzschichtwindkanal

Der Grenzschichtwindkanal der TU München

Bei der Durchführung der Experimente arbeitet die GfA eng mit dem Lehrstuhl für Fluiddynamik (FLM) an der Technischen Universität München (TUM) zusammen. An diesem Institut wird ein atmosphärischer Grenzschichtwindkana ausreichender Größe betrieben, welcher die Anforderungen der Wtg ( Windtechnologische Gesellschaft e.V. ) hinsichtlich der Qualität der Strömung und Übertragbarkeit der Messwerte erfüllt.

Atmosphärischer Grenzschichtwindkanal: Prinzipdarstellung.

Zweck dieser Forschungs- und Testeinrichtung ist die, im Sinne der Ähnlichkeitsgesetze der Strömungsmechanik ähnliche Simulation der windbedingten Luftströmungsverhältnisse um Gebäude.

Dazu wird in verkleinertem Maßstab die Verteilung von Geschwindigkeit und Böigkeit des Windes nachgebildet, wie sie in den unteren 300 Metern einer neutral geschichteten, atmosphärischen Grenzschichtströmung über bebautem Gebiet auftritt.

Um eine korrekte Wiedergabe der Verhältnisse an dem Original zu erhalten, wird an Hand stromaufwärts des zu untersuchenden Modells eingebauter Wirbelgeneratoren die für den jeweiligen Standort spezifische Höhenabhängigkeit von Turbulenz und Windgeschwindigkeit eingestellt.

Die Abbildung oben zeigt das bei dem Grenzschichtwindkanal angewandte Prinzip.

Da sich in der entwickelnden Grenzschicht ein Gleichgewichtszustand einstellen muß, ist eine genügend lange Anlaufstrecke erforderlich. Auf deren Boden ist maßstäblich die gleiche Rauhigkeit angebracht, welche in der Umgebung des zu untersuchenden Objektes zu finden ist.

In der Art der Anströmung besteht der wesentliche Unterschied zu aeronautischen Windkanälen, wie sie in der Luftfahrt- und Kraftfahrzeugtechnik zur Anwendung kommen. Wegen der dort erforderlichen gleichförmig-turbulenzarmen Anströmung sind diese i.d.R. für Fragestellungen der Gebäudeaerodynamik nicht einsetzbar.

Bei der vorliegenden Anlage wurde die Bauart `Eiffel' gewählt, also eine geschlossene Meßstrecke und ein offener Luftkreislauf.
Die Zuluft wird durch den stromabwärts der Meßstrecke angeordneten Axialventilator über einen Einlauf aus der umgebenden Halle angesaugt.

Die austretende Abluft wird entweder als Fortluft ins Freie geführt (Fortluftbetrieb) oder strömt als Umluft wieder in den Raum zurück (Umluftbetrieb).

Im Fortluftbetrieb werden all diejenigen Experimente durchgeführt, bei denen kleinere Geschwindigkeiten ausreichen und der Strömung Stoffe zugefügt werden, die sich nicht in der Meßstrecke anreichern dürfen.

Dies ist z. B. bei der Visualisierung mit Rauch und bei Tracergasexperimenten der Fall. Der Umluftbetrieb ermöglicht höhere Geschwindigkeiten in der Meßstrecke und ist daher für die Messung von Druckbeiwerten besser geeignet.

Grenzschichtwindkanal der TU-München: bauliche Realisierung (Quelle: TU-München)

Technische Daten:

Meßstrecke:
Länge:	3.00 m
Breite :	2.70 m
Höhe:	1.20 m -1.80 m
Drehplattendurchmesser:	2.38 m
Modellträgerplatte:	100 x 70 cm
Traversierbereich:	n/a
Druckgradient:	zu 0 justierbar

Anlaufstrecke:
Länge:	15.0 m
Breite:	2.70 m
Deckenhöhe (variabel):	1.20 m bis 1.80 m

Anströmung:
Rauhigkeitshöhe z₀:	n/a
Grenzschichtdicke	n/a
Verdrängungsschichtdicke d₀:	n/a
Profilexponent:	n/a
Geschwindigkeit im Fortluftbetrieb:	0.5 bis 30 m/s

Methoden (u.a.):

Druckmessungen an mehreren hundert Meeßstellen, stationär mit Meßstellenumschalter `Scanivalve'.

Druckmessungen, instationär mit schnellem Simultanmeßsystem.

Konzentrationsmessungen, stationär für Tracergas mit IR-Gasanalyse.

Geschwindigkeits- und Turbulenzmessungen mit Konstanttemperatur - Anemometer (CTA) .

Messung von Luftwechselraten und Verweilzeiten in natürlich belüfteten Modellinnenräumen.

Visualisierung von windinduzierten Strömungsvorgängen außerhalb und innerhalb von Gebäuden mit Nebel und durch Lichtschnitte beleuchtet (LASER/Faseroptik).

Erfassung des windbedingten Fußgängerkomforts in Straßenräumen mit der Sand-Erosionsmethode.

Damit die im Windkanalexperiment erzielten Ergebnisse in den Originalmassstab übertragen werden können, sind besondere Anforderungen an die Durchführung der Versuche zu stellen. Die Wtg ( Windtechnologische Gesellschaft e.V. ) hat dies in einem Richtlinienblatt formuliert. In jedem Fall ist auf wichtige Ähnlichkeitsgesetze Rücksicht zu nehmen.

Die wichtigsten Modellgesetze der experimentellen Gebäudeaerodynamik für Versuche in Grenzschichtwindkanälen

Geometrische Ähnlichkeit

In der Regel werden die Experimente an maßstäblich verkleinerten Modellen des Maßstabs

ausgeführt. Die Bandbreite reicht von 1:1000 für mesoskalige Ausbreitungsuntersuchungen bis 1:100 für detaillierte Betrachtungen der gebäudenahen Außenströmung oder windinduzierten Innenströmungen. Neben der geometrischen Ähnlichkeit des Gebäudemodells wird ebenfalls eine geometrische Ähnlichkeit aller, das Strömungsfeld charakterisierenden Abmessungen angestrebt. Dabei handelt es sich u.a. um die Grenzschichtdicke, den Nullpunktversatz des Windprofils, die Rauhigkeitshöhe in der Anlaufstrecke, die typischen Abmessungen in der Grenzschicht vorhandener Wirbel und die Abmessungen gebäudeinduzierter Strömungsmuster.

Strouhal-Zahl Ähnlichkeit

Bereits in dem Wind, der auf das Gebäude trifft, findet sich eine Vielzahl von Wirbelstrukturen der unterschiedlichsten Abmessungen und Ausrichtungen. Ein großer Anteil davon, der makrometeorologische Bereich, ist dem Wettergeschehen zuzuordnen und entzieht sich der Modellierbarkeit im Windkanal (siehe Abb. unten).

Den Wirbelstrukturen der atmosphärischen Grenzschicht lassen sich charakteristische Zeiten u. Frequenzen zuordnen, nach van der Hoven, 1957. Die Wirbel, die in der anströmenden Grenzschicht enthalten sind und die, welche durch die Umströmung der Gebäudemodelle entstehen, sind in den Abmessungen ihrer Grobstruktur entsprechend dem Modellmaßstab geometrisch ähnlich zu den korrespondierenden Wirbelstrukturen im Original. Aufgrund der viel kleineren, zurückgelegten Strecken laufen im Modellversuch alle Vorgänge um ein Vielfaches schneller ab. Den Zusammenhang zwischen den Zeitmaßen und Frequenzen der Wirbelströmungen im Modellversuch und im Original stellt man über die Strouhal-Zahl

her, die für jede betrachtete Struktur im Modell und im Original gleichzusetzen ist. Fährt man den Versuch z.B. mit der gleichen Windgeschwindigkeit, die auch im Original zu erwarten sein wird, reduzieren sich alle charakteristischen Zeiten entsprechend dem Modellmaßstab, alle Frequenzen erhöhen sich reziprok dazu: der Versuch bildet die Natur im Zeitraffer ab. Dies ist einer der Gründe, warum Windkanalversuche wesentlich wirtschaftlicher sind, als Messungen am Original.

Reynolds-Zahl Ähnlichkeit

Ein geometrisch ähnlicher Verlauf der modellierten Gebäudeumströmung bis in die kleinsten Details hinein läßt sich nur dann erzielen, wenn im Versuch alle, an dessen Gestaltung beteiligten Kräfte im gleichen Verhältnis stehen, wie im Original. Beschränkt man sich auf isotherme, inkompressible Strömungen in Luft, wie sie in einem konventionellen Grenzschichtwindkanal behandelbar sind, so betrifft dies Druck, Zähigkeits- und Trägkeitskräfte. Ihr Verhältnis wird durch die Reynolds-Zahl

gekennzeichnet. Ist die kinematische Viskosität im Original und im Modellversuch gleich (dies ist i.d.R. gegeben, wenn in beiden Fällen Luft in Umgebungstemperatur verwendet wird) so reduziert sich das Kriterium auf die Einhaltung des Produktes aus einer charakteristischen Windgeschwindigkeit und einer Bezugslänge. Dies bedeutet, daß bei Experimenten in üblichen Grenzschichtwindkanälen die Reynolds-Ähnlichkeit bei weitem nicht eingehalten werden kann. Bereits ein Modellmaßstab von 1:100 würde im Versuch eine nicht realisierbare, um den Faktor 100 überhöhte Windgeschwindigkeit erfordern.

Abb.: Abweichende Reynoldszahlen-Abhängigkeit bei kantiger (Platte) und runder Geometrie (Zylinder, nach Simiu u. Scanlan).

Durch Vergleiche konnte allerdings bestätigt werden, daß Hauptabmessungen der Strömungsfelder und Druckverteilung an Modellen kantiger Gebäude bereits ab Reynoldszahlen von etwa 2.10⁴ bis 10⁵ richtig wiedergegeben werden (siehe oben). Bei Gebäuden mit gerundeten Konturen, wie z.B. zylindrischen Hochhäusern gilt dies allerdings nicht (siehe unten). Aus diesem Grund sind im Versuch durch sorgfältige Anpassung der Oberflächenrauhigkeit auf der gekrümmten Fläche (Verzicht auf geometrische Ähnlichkeit) besondere Vorkehrungen zu treffen. Zum Vergleich: an Originalgebäuden bewegt sich die Reynoldszahl in Größenordnungen von 10⁷ bis 10⁸.

Abhängigkeit des Luftwiderstandsbeiwertes von der Reynoldszahl für ein Bauteil mit kantigem Grundriß (oben) und mit zylindrischem Grundriß (unten, bei verschiedenen Oberflächenrauhigkeiten, nach Scruton, 1971).

Jensen-Zahl Ähnlichkeit

Ein für Grenzschichtwindkanäle unumgängliches Ähnlichkeitskriterium in der Versuchstechnik der Gebäudeaerodynamik wird durch die Jensen-Zahl

ausgedrückt. Sie kennzeichnet das Verhältnis zwischen einer charakteristischen Bezugslänge des untersuchten Gebäudes (z.B. der Dachhöhe) und der Rauhigkeitshöhe z₀, dem Parameter, welcher gemeinsam mit der Verdrängungsschichtdicke d₀ die Anströmung beschreibt. Je `rauher` die Umgebungsbebauung, d.h. je größer z₀, desto flacher bildet sich das Höhenprofil der Windgeschwindigkeit aus. Abb. unten: ganz rechts das `bauchige` Geschwindigkeitsprofil über glattem Wasser mit einer Rauhigkeitshöhe von wenigen mm und ganz links die Verhältnisse über einer innerstädtischen Bebauung, in der z₀ die Größenordnung von einigen m erreicht.

Unterschiedliche Höhenprofile der zeitlich gemittelten Windgeschwindigkeit für die verschiedenen Bodenrauhigkeiten., nach Sockel, 1984

Abweichungen von der Jensen-Zahl des Originals ziehen im Modellversuch erhebliche Fehler bei der Ermittlung von Druckverteilungen nach sich, siehe Abb.:

Nur bei Übereinstimmung der Jensen-Zahl lassen sich im Versuch (durchgezogene Linie) mit dem Original (gestrichelte Linie) übereinstimmende Druckbeiwerte messen. Dies läßt sich nur in Grenzschichtwindkanälen realisieren (Diagramm oben links), während eine Anströmung ohne Grenzschicht völlig falsche Werte liefern kann (unten Mitte), nach Jensen, 1961.