Her tester de sig frem til bedre profil-performance

Link to automatic translation

Store maskiner fascinerer altid. Maskinparken på Stuttgart Universitets institut for institut for Aero- og gasdynamik (IAG) er ingen undtagelse. De højt specialiserede vindtunnel-installationer ligger i et gammelt skov-område, og man skal ikke være hardcore science-fiction-nørd før den uimodståelige 1980’er-patina på de enorme turbiner leder tankerne hen på kulisser fra rum-eventyr som ”Linda og Valentin” og ”Alien”.

Ved siden af vindtunnel-installationerne troner 2 styk 15 meter høje sfæriske tanke. Hvad i alverden foregår der her? Et hemmeligt rumprogram?

Næh, det er vakuum-tankene til den supersoniske vindtunnel, forklarer min guide, som denne dag er selveste Michael Greiner. I svæveflyve-miljøet er Greiner nok bedst kendt som tidligere Schleicher-konstruktør og manden bag bogstavet ”G” i vellykkede konstruktioner som ASG 29 og ASG 32.

I tiden efter Schleicher har han arbejdet på sin doktorafhandling i aerodynamik på netop dette fascinerende sted, og han har lovet mig en ”guidet tour” af instituttets unikke faciliteter.

Michael Greiner – “G”‘et i ASG 32 og ASG 29

Stor betydning for udviklingen af svæveflyvningen

Det er ikke noget tilfælde, at Greiner findes netop her, for stedet her har haft – og har fortsat – en stor indflydelse på udviklingen af moderne svæveflyvning, og mange af videnskabsfolkene her er smittet med kronisk passion for svæveflyvning.

Her skal nævnes Dr. Richard Eppler (1924-2021) – nok mest kendt som toneangivende i udviklingen af de første kompositfly og tilhørende low drag laminare profiler, som fandt vej til andre typer af flyvning og fx også vindkraft-profiler. Han var institutleder i det nærliggende Institut for Mekanik.

IAG var også arbejdsplads for Franz Xaver Wortmann (1921-1985), som fik opkaldt en hel serie af profiler efter sig – de såkaldte ”FX”- eller ”Wortmann”-profiler, som blev monteret på mange første eller andengenerations kompositfly fra 1970’erne.

Det samme gælder Dieter Althaus som døde i 2021. Althaus spillede en enorm rolle i etableringen af den laminare vindtunnel samt ved at være forfatter på de berømte ”Stuttgart Profilkataloger”. Han var desuden også ansvarlig for udviklingen af knoppenband-turbulatorerne (en variant af zig-zag-tape, men med samme funktion, nemlig at reducere high drag laminare separationsbobler).

En absolut nulevende personlighed, nemlig institutlederen Dr. Werner Würz, bør også nævnes i svæveflyveregi. Han konsulterede bl.a. ganske intensivt på profildesignet, da den ”lokale” svæveflyveproducent, Schempp-Hirth i 2009 besluttede sig for at udvikle den yderst fremgangsrige Arcus-serie, og de i alt 6 profilsektioner blev også testet i IAGs laminare vindtunnel. Senest er Ventus 3-profilet også blevet testet her.

Flere typer af vindtunneller

Instituttet disponerer nemlig over flere forskellige vindtunneller som hver især har specielle karakteristika. For uindviede er den supersoniske vindtunnel lidt speciel – af åbenlyse grunde; Der findes intet konventionelt propel-drevet motorsystem som er egnet til at frembringe strømninger op til MACH 3, så den supersoniske vindtunnel er i stedet drevet af vakuum i de meget store tanke.

Et stort industrielt luftpumpe-system suger luften ud af tankene, og en ventil tillader at den atmosfæriske luft strømmer ind i tankene med enorm hastighed gennem et målekammer, hvor resultatet er supersonisk flow.

Straks mere fredsommelige vindhastigheder opererer den store vindbyge-vindtunnel med. Tophastigheden er 17 m/s eller 61 km/t, men til gengæld tillader den store diameter på 6 meter, at man kan indsætte meget store objekter. Med byggeår i 1983 er det er instituttets største vindtunnel og er specifikt designet og konstrueret til at undersøge aerodynamiske forhold for vindkraft-turbiner under både stationære og byge-prægede vindforhold.
”Virkelighedens atmosfære er ofte turbulent”, siger Michael Greiner.

Her er mange forskellige ting testet gennem tiden, bl.a. sejljoller, telte og baldakiner Men også dele af flyvemaskiner er undersøgt under disse generøse pladsforhold, bl.a. hang-gliders og Stuttgart Universitets soldrevne rekord-fly Icaré 2. Her var man interesseret i at kende den finne-monterede propels virkningsgrad og påvirkning af højderoret.

Galleri: Test i Stuttgart-vindtunnellen – lige fra telte til Hang-gliders

Den laminare vindtunnel

I en helt tredje af instituttets vindtunneller med navnet ”Den laminare vindtunnel” kan man foretage varierende typer af målinger på 2-dimensionelle vingeprofiler. Her fylder test for vindkraft-industrien fortsat meget i test-kalenderen.

Typisk indsættes et profil på 73 cm-længde lodret i målekammeret som kan simulere hastigheder på op til 90 m/s eller 324 km/t.
”Det er dog bare i teorien, for ved tophastigheden begynder vinduerne i nabo-bygningen at ryste faretruende”, griner Michael Greiner, som byder på en demonstration af maskineriet og måle-metoderne.

I målekammeret eller testcellen er der monteret et profil – i øvrigt noget som NG gerne må fotografere – i modsætning til de ofte hemmelige tests for industrien. Hele setuppet er nøje computerstyret for at sikre så standardiserede målinger som muligt.

Computersimulering af profilers egenskaber er efterhånden meget god, men når det kommer til forurening af profiler, fx insekter, smuds og is, er det vanskeligt at simulere så det repræsenterer i virkelighedens fænomener. Her er det en fordel at teste profilet i en vindtunnel”, forklarer Greiner.

Greiner lukker døren ind til operatør-rummet, hvor videnskabsfolkene normalt befinder sig. Det er en tung lufttæt ståldør – ”model rumstation”. Nu starter en ildevarslende blæser – og trommehinderne danser en ikke specielt behagelig barotraumatisk salsa, da trykket falder.

Det er vigtigt at holde et undertryk i operatør-rummet som omgiver testcellen, da man vil undgå, at der lækker luft ind i testcellen gennem utætheder og som kan føre til ukontrollerede turbulenser i målefeltet.

I tilfælde af ulykker eller sygdom i operatørrummet findes der en mekanisk vakuum-spærre på døren, som man kan bryde af og annullere undertrykket – ellers kan man ikke åbne døren!

For at sikre en laminar strømning gennem testcellen passerer luften først gennem flere sektioner med net som har den funktion at udjævne strømningen.

Med vindtunnellen kørende viser Greiner mig de tekniske muligheder for at kortlægge profilegenskaberne – og der er mange! Trods Greiners ikke ubetydelige pædagogiske evner, bliver redaktørens stærkt begrænsede fatteevne udi teoretisk aerodynamik på doktorgrad-niveau også sat på en hård prøve.

Men enkelte elementer opfattes dog som følger: Man kan eksempelvis måle polar, løft, modstand og trykdistribution med høj grad af nøjagtighed i det højkalibrerede setup. De mest almindelige tests inkluderer måling af løft og modstand.
Eksempelvis kan man bestemme løft på et profil ved måle lufttrykket ved væggen over og under profilet (set fra profilets ”synsvinkel”). Dette minimerer instrumenteringskravet på profilet, fortæller Greiner.

Testcellen er monteret med et infrarødt kamera (se illustration herover) som giver en visualisering af temperaturfordelingen på vingeprofilen, som er monteret på en svingbar base. Ved at øge indfaldsvinklen får man en meget tydelig indikation af det kritiske punkt, hvor flowet separerer fra profilet og bliver turbulent. Det resulterende turbulente flow i det stallede regime har en meget høj varmetransport og optræder ”koldt” på det infrarøde kamera. Det er imponerende at se i virkeligheden.

En computerstyret hotwire-teknik (såkaldt hot-wire anemometri) anvendes også til at detektere profil-egenskaber i grænselaget. Det er i praksis en meget følsom ultratynd opvarmet tråd, som indsættes i det flow man vil undersøge. Afkølingen af wiren er lig med flowhastigheden.

Man benytter også en mikrofon-teknik hvor en tynd mikrofon på en pitot-lignende sonde føres ind i testkammeret. Her kan man ved at føre sonden hen over profilen tydeligt høre punktet, hvor flowet tripper til turbulent flow.

Det er tydeligt, at man her interesserer sig for profilers ydeevne i virkeligheden – og igen – den er turbulent.
”Vi er ved at nå et teknisk plateau, hvor store performance-forbedringer efterhånden er vanskelige at opnå på svævefly. Vi må i stedet se på de forhold vi flyver under og tilpasse profilerne til dette – eksempelvis profil-performance under turbulente forhold”, forklarer Greiner og fremviser et meget komplekst ”flyvende laboratorium”. Det er en komplekst instrumenteret ”pod” som skal hænge på vingen af en Ventus 3 og måle profilperformance med høj opløsning under flyvning i den turbulente virkelighed.

IAG er en forskningsinstitution og lever ganske vist et diskret liv for gennemsnits-piloten, men jo mere man lærer om dets betydning for svæveflyvningen bør de sofistikerede vindtunnel-installationer måske anses mere som hellig grund, et tempel for opdagelse og indsigt.

Uden folk og installationer som disse fløj vi stadigvæk rundt med glidetal 25 på en god dag! Så næste gang du planlægger et komfortabelt og angst-frit finaleglid, så send lige de aerodynamiske eksperter på IAG en venlig tanke!