Eine Windkanalwaage ist ein Gerät zur Messung der aerodynamischen Kräfte und Momente, die ein Modell während eines Windkanaltests erfährt. Sie ist ein wichtiges Instrument zum Verständnis des aerodynamischen Verhaltens eines Flugzeugs, eines Straßenfahrzeugs oder eines Gebäudes und anderer Objekte in einer kontrollierten Luftströmungsumgebung.
Es gibt verschiedene Arten von Windkanalwaagen, wobei die beiden gebräuchlichsten interne Waagen sind, die z. B. in der Karosserie eines Flugzeugs montiert sind, und externe Waagen, die in den Testabschnitt eines Windkanals integriert sind und an denen das Testobjekt starr befestigt ist. Externe Waagen bieten eine größere Flexibilität für die Prüfung einer Vielzahl von Objekten, wie Autos, Motorräder, Zugmodelle oder Gebäude.
Windkanalwaagen sind für die Messung von Kräften und Momenten mit Hilfe von Wägezellen auf der Basis von Dehnungsmessstreifen in Wheatstone-Brückenschaltung ausgelegt. Dazu werden die Wägezellen oder Dehnungsmessstreifen strategisch so in der Waagenstruktur platziert, dass die Lasten genau aufgelöst werden können, aber Überlagerungen und Temperatureinflüsse so gering wie möglich gehalten werden. Die Daten der Wägezellen werden zur Berechnung von drei Kräften (Luftwiderstand, Seitenkräfte, Auftriebskraft) und drei Momenten (Roll, Nick, Gier) in Bezug auf den Referenzpunkt des Koordinatensystems verwendet.
Die gesammelten Daten werden dann analysiert, um das aerodynamische Verhalten des Modells zu verstehen. Ingenieure können das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand, die Stabilitätseigenschaften und andere wichtige Parameter in Entwurfsiterationen untersuchen und die optimale Leistung des zu testenden Objekts ermitteln. Die bei Windkanaltests gewonnenen Daten werden auch zur Validierung von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) verwendet. Dadurch wird sichergestellt, dass die theoretischen Modelle, die bei der Konstruktion verwendet werden, genau und zuverlässig sind.
Im speziellen Fall von Straßenfahrzeugen ist die Waage auch mit einem Straßensimulationssystem ausgestattet, um die aerodynamischen Auswirkungen der relativen Bewegung der Straße im Verhältnis zur Fahrzeugkarosserie und der Drehung der Räder genau zu modellieren.
Es gibt zwei wesentliche Konstruktionsarten von Windkanalwaagen:
- Das 5-Band-System besteht aus einem langen, schmalen mittleren Band, das zwischen den Rädern eines Fahrzeugs und vier Radantriebseinheiten verläuft, eine unter jedem Rad.
- Das Einzelband-System besteht aus einem großen Band, das sich über den gesamten Windkanalboden erstreckt.
Das 5-Band-System wird in der Regel für die Erprobung von Serienfahrzeugen verwendet, während das Einzelband-System aufgrund seiner idealen Darstellung der Strömungsverhältnisse bei der Entwicklung von Rennfahrzeugen eingesetzt wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Windkanalwaagen entscheidende Werkzeuge in der aerodynamischen Forschung und Entwicklung sind. Sie liefern Ingenieuren wertvolle Daten zur Verbesserung der Effizienz, Sicherheit und Leistung verschiedener Objekte in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und anderen Branchen.
