Volle Fahrt im Windkanal
Die Forschung im neuen Windkanal von Bosch gewinnt an Fahrt. Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 200 km/h können dort eingestellt werden. Der Clou dabei: Der Luftstrahl ist extrem leise. Muss er auch, denn die Forscher wollen nur diejenigen Geräusche untersuchen, die vom Auftreffen der Strömung auf Bauteile erzeugt werden.
Überraschungen sind garantiert: Wollen die Strömungsakustiker bei Bosch den neuen aeroakustischen Messraum durchqueren, müssen sie sich entweder ducken oder ohrenbetäubenden Lärm in Kauf nehmen. Denn auf Schulterhöhe durchströmt eine Luftsäule die Raummitte. Nicht sichtbar. Kaum hörbar. Ein ‘flüsternder Orkan’, genau richtig für die Strömungsversuche bei Bosch. Im neuen Windkanal untersuchen die Forscher gerade eben jene Geräusche, die durch Luftströmungen hervorgerufen werden.
Deshalb muss der Wind nahezu lautlos in Fahrt gebracht werden. Somit waren die Planung und der Bau des Windkanals ein Forschungskapitel für sich. Die Luftströmung läuft im Umluftbetrieb: Luft wird aus dem Messraum im Deckenbereich abgesaugt und seitlich über eine variable Düse mit einstellbarer Geschwindigkeit wieder eingeblasen.
Die kritischste Komponente ist der Ventilator, der den ganzen Kreislauf auf Touren bringt: Er ist strömungsakustisch optimiert, doch außerhalb des Messraums deutlich hörbar. Außerdem erzeugt er Wärme. Damit im Messraum keine tropische Hitze herrscht, bringt ein Kühler die Temperaturen auf Normalmaß zurück. Schalldämpfer wurden auf Basis einer Simulationsrechnung so ausgelegt, dass die Ventilatorgeräusche optimal herausgefiltert werden. Bei der Inbetriebnahme wurde es nochmal spannend, bis fest stand: Der Ventilator ist im Messraum nicht mehr zu hören. Andere Elemente im Luftstrom dienen einer weiteren Schallreduzierung und zum Einstellen einer möglichst definierten Eintrittsströmung in die Messkammer. Der Windkanal ist nun eines der wichtigsten experimentellen Werkzeuge zur Weiterentwicklung von Bosch-Produkten, die im Fahrtwind stehen oder bei denen Geräusche durch Luftströmungen ein wichtiges Produktqualitätsmerkmal sind.
So untersuchen die Forscher zum Beispiel die Geräuschentstehung und Schallabstrahlung von Scheibenwischern im Fahrtwind. Dabei wird die gebogene Windschutzscheibe durch eine ebene Fläche idealisiert, der Scheibenwischer wird zu einer geraden Leiste. Zwei Gründe sprechen für diese Vereinfachung: Zunächst wollen die Strömungsakustiker die physikalischen Gesetzmäßigkeiten anhand vereinfachter Modelle verstehen und diese auch im Computer simulieren. Decken sich die Ergebnisse der Computermodelle mit denen des Experiments, können die Forscher sagen: “Die Physik stimmt. Nun lasst uns komplexere Geometrien durchspielen.” Etwa ein reales Scheibenwischerprofil. Dass die Physik stimmt, ist aber keineswegs garantiert. Zwar können die zeitabhängigen Strömungs- und Schallentstehungsvorgänge im Rechner nachgebildet werden, doch führt dieses Vorgehen zu erheblichem numerischem Aufwand, sprich: ein handelsüblicher PC würde monatelang rechnen. Für die Forscher gilt es, die Algorithmen so zu vereinfachen, dass die Rechenzeiten vertretbar werden, physikalisch alles richtig bleibt und die Ergebnisse mit Experimenten übereinstimmen.
Kompliziert für die Simulation ist dabei die Kopplung der Domänen Strömung und Schall. Auf einem engmaschigen Rechengitter mit Millionen von Gitterpunkten werden zunächst Strömungsverläufe und resultierende Schallquellen berechnet. Aus diesen Quellen ermitteln die Forscher dann die ‘langskaligen’ Schallwellen auf einem deutlich gröberen Gitternetz. Erste Ergebnisse aus dem Windkanal zeigen schon: Die Rechnung der Forscher geht auf.
Deshalb muss der Wind nahezu lautlos in Fahrt gebracht werden. Somit waren die Planung und der Bau des Windkanals ein Forschungskapitel für sich. Die Luftströmung läuft im Umluftbetrieb: Luft wird aus dem Messraum im Deckenbereich abgesaugt und seitlich über eine variable Düse mit einstellbarer Geschwindigkeit wieder eingeblasen.
Die kritischste Komponente ist der Ventilator, der den ganzen Kreislauf auf Touren bringt: Er ist strömungsakustisch optimiert, doch außerhalb des Messraums deutlich hörbar. Außerdem erzeugt er Wärme. Damit im Messraum keine tropische Hitze herrscht, bringt ein Kühler die Temperaturen auf Normalmaß zurück. Schalldämpfer wurden auf Basis einer Simulationsrechnung so ausgelegt, dass die Ventilatorgeräusche optimal herausgefiltert werden. Bei der Inbetriebnahme wurde es nochmal spannend, bis fest stand: Der Ventilator ist im Messraum nicht mehr zu hören. Andere Elemente im Luftstrom dienen einer weiteren Schallreduzierung und zum Einstellen einer möglichst definierten Eintrittsströmung in die Messkammer. Der Windkanal ist nun eines der wichtigsten experimentellen Werkzeuge zur Weiterentwicklung von Bosch-Produkten, die im Fahrtwind stehen oder bei denen Geräusche durch Luftströmungen ein wichtiges Produktqualitätsmerkmal sind.
So untersuchen die Forscher zum Beispiel die Geräuschentstehung und Schallabstrahlung von Scheibenwischern im Fahrtwind. Dabei wird die gebogene Windschutzscheibe durch eine ebene Fläche idealisiert, der Scheibenwischer wird zu einer geraden Leiste. Zwei Gründe sprechen für diese Vereinfachung: Zunächst wollen die Strömungsakustiker die physikalischen Gesetzmäßigkeiten anhand vereinfachter Modelle verstehen und diese auch im Computer simulieren. Decken sich die Ergebnisse der Computermodelle mit denen des Experiments, können die Forscher sagen: “Die Physik stimmt. Nun lasst uns komplexere Geometrien durchspielen.” Etwa ein reales Scheibenwischerprofil. Dass die Physik stimmt, ist aber keineswegs garantiert. Zwar können die zeitabhängigen Strömungs- und Schallentstehungsvorgänge im Rechner nachgebildet werden, doch führt dieses Vorgehen zu erheblichem numerischem Aufwand, sprich: ein handelsüblicher PC würde monatelang rechnen. Für die Forscher gilt es, die Algorithmen so zu vereinfachen, dass die Rechenzeiten vertretbar werden, physikalisch alles richtig bleibt und die Ergebnisse mit Experimenten übereinstimmen.
Kompliziert für die Simulation ist dabei die Kopplung der Domänen Strömung und Schall. Auf einem engmaschigen Rechengitter mit Millionen von Gitterpunkten werden zunächst Strömungsverläufe und resultierende Schallquellen berechnet. Aus diesen Quellen ermitteln die Forscher dann die ‘langskaligen’ Schallwellen auf einem deutlich gröberen Gitternetz. Erste Ergebnisse aus dem Windkanal zeigen schon: Die Rechnung der Forscher geht auf.
