Anwendung der piezoelektrischen Meßtechnik zur Untersuchung stationärer und instationärer aerodynamischer Kräfte

Abstract

Eine zentrale Fragestellung der experimentellen Aerodynamik besteht darin, Erkenntnisse über die stationären und dynamischen Kräfte zu gewinnen, die auf umströmte Körper wirken. Die Modelle können stromlinienförmig sein, wie z.B. Flugzeugflügel, oder stumpf, wie es bei Bauwerks- oder Fahrzeugmodellen der Fall ist. Üblicherweise werden die Kräfte mit konventionellen Dehnungsmeßstreifen-Waagen gemessen, wobei die Bestimmung der stationären Kraftbeiwerte im Vordergrund steht. Es gibt jedoch viele Anwendungen, besonders bei den genannten stumpfen Körpern, im Hochauftriebsfall oder bei schwingenden Modellen, bei denen die Strömung per se instationär ist. Dann kommt der Messung und der Analyse der zeitabhängigen Kräfte große Bedeutung zu, sodaß der Einsatz von Waagen, basierend auf piezoelektrischen Kraftmeßelementen, eine überlegene Alternative ist. Im Gegensatz zu konventionellen DMS-Waagen haben Piezo-Waagen aufgrund ihrer prinzipbedingten Steifheit eine hohe Eigenfrequenz und geringe Interferenzen. Beide Eigenschaften sind eine Voraussetzung für die Messung von Kraftschwankungen, die frei von parasitären Anteilen sind. Auch die stationären Kräfte und Momente können bestimmt werden, allerdings mit Einschränkungen, wenn die Meßzeit sehr lang und/oder die zu messenden Kräfte sehr klein sind. In diesem Fall ist eine prinzipbedingte Nullpunkt-Drift nicht mehr vernachlässigbar. Die reduzierte Genauigkeit ist der Preis, den man für die vorgenannten Vorteile zu zahlen hat. Die Beispiele reichen von einer Flügel/Triebwerks-Kombination, untersucht in einem Niedergeschwindigkeitswindkanal, bis zu Experimenten zum transsonischen Flügelflattern, von Messungen an schwingenden Profilen bis zu Untersuchungen an stumpfen Körpern unter Kryo- und Hochdruckbedingungen.