Viel Wind im Tunnel
Die App Wind Tunnel ermöglicht es, Strömungen zu visualisieren und physikalische Größen zu berechnen.
Strömungen spielen in der Technik eine große Rolle, beispielsweise wenn es darum geht, bei welcher Form ein Auto einen geringen Luftwiderstand hat oder warum Flugzeuge fliegen. Das Problem dabei ist, dass weder Druckdifferenzen noch die Geschwindigkeiten der Luftteilchen beobachtbar sind. Hier helfen Simulationen.
Mit der App Wind Tunnel können viele Strömungsphänomene schnell und intuitiv unter die Lupe genommen werden. Objekte, die umströmt werden oder in denen eine Strömung stattfindet, können frei auf das Display gezeichnet werden. Die App berechnet dann in Echtzeit den Partikelstrom im zweidimensionalen Raum mit den Navier-Stokes-Gleichungen unter der Annahme, dass das Fluid inkompressibel und homogen ist. Die Geschwindigkeitsvektoren werden dabei je nach Leistung des Geräts in einem Raster ab 120 x 180 Pixel aufwärts berechnet. Für viele Fälle zeigt die App realitätsnahe Ergebnisse.
Wind Tunnel gibt es für alle gängigen Tablets und Smartphones im Google Play Store und Apple App Store zu unterschiedlichen Preisen – je nach Funktionsumfang. Die kostenlosen Versionen bieten einen guten Vorgeschmack auf weitere Features. In den Bezahlversionen ab 3 Euro kann man dann auch frei zwischen allen Visualisierungen, Parametern und Formen wählen. Wind Tunnel for iPad v1.3.3 (4,99 €) ist nahezu identisch mit WindTunnel for iPhone (3,49 €) und Wind Tunnel for Android (3,00 €). Lediglich die Auflösung des Berechnungsrasters ist etwas größer. Bei den Android-Versionen ist die Auflösung vom Raster einstellbar. Wer quantitativ arbeiten möchte, nutzt die Version WindTunnel CFD (10,00 € für Android bzw. 10,99 € für iOS), die noch genauere und einstellbare Berechnungsmethoden, virtuelle Messgeräte und mehr Variationen von Parametern (wie die Reynolds-Zahl) erlaubt.
Objekte können in allen Bezahlversionen frei aus der Hand gezeichnet werden, aber es lassen sich auch Geraden oder Propeller einfügen und mit zwei Fingern im Luftstrom drehen. Das eignet sich beispielsweise für Experimente zu Anstellwinkel und Strömungsabriss. Parameter wie Tempo, Viskosität und Reibung sind fast stufenlos verstellbar. Zur Visualisierung können Rauch und Partikel eingefügt sowie physikalische Größen über Farben oder Vektoren visualisiert werden.
Abb. 1 Simulation einer Strömung durch ein Rohr mit scharfen und runden Kanten (lila = langsam, rot = schnell) in der Version Wind Tunnel for iPad.
Zur Untersuchung von Strömungen in Röhren zeichnet man einen Rohrquerschnitt (Abbildung 1). Dass die Strömung durch Engstellen schneller fließt und der Druck in Richtung Rohrwand abnimmt, ist zunächst wenig intuitiv. Mit dem Wechsel zwischen verschiedenen Visualisierungen wird es jedoch erklärbar: Die Luftteilchen sind in der Verengung viel mehr damit beschäftigt zu fließen und stoßen in spitzeren Winkeln gegen die Wand. In Abbildung 1 zeigt sich zugleich, dass scharfe Kanten ungünstig für Strömungen sind – und zwar besonders hinter der Engstelle und weniger davor.
Florian Genz, Uni Köln; Thomas Wilhelm, Uni Frankfurt; Jochen Kuhn, TU Kaiserslautern
Dies ist die gekürzte Fassung eines Artikels, der in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen ist. Der vollständige Beitrag mit vielen weiteren Anwendungen und auch Einschränkungen steht Ihnen bis zum 9.12.2018 zum kostenlosen Download zur Verfügung (anschließend nur mit Online-Abo).
