Optimiert in den Windkanälen der TU Graz

Zwei Windkanäle nach Göttinger Bauart füllen Labore in der Grazer Inffeldgasse. In beiden Anlagen zirkuliert die Luft in einem geschlossenen Kreislauf. In der Mitte der Messstrecke befindet sich jeweils der Versuchsaufbau, der von der Luft umströmt wird. Genutzt werden die Windkanäle für sehr unterschiedliche Forschungsaufgaben: Im sogenannten Grenzschichtwindkanal wird die bodennahe, turbulente Luftschicht simuliert, um Modelle von Stadtteilen oder großen Bauwerken realitätsnah zu testen. Im Niedergeschwindigkeits-Windkanal strömt die Luft hingegen nahezu turbulenzfrei, um die Umströmung eines Objekts durch ruhende Luft möglichst realitätsnah nachzubilden.

Niedergeschwindigkeits-Windkanal

Zuerst ist nur ein sanftes Rauschen zu hören. Schnell steigert sich der Luftstrom zu einem kräftigen Wind. Die Gebläse beschleunigen die Luft in einem geschlossenen Kreislauf auf bis zu 145 Kilometer pro Stunde. Mitten auf der rund drei Meter langen Messstrecke liegt Skeleton-Olympia-Siegerin Janine Flock im vollständigen Olympia-Setup auf ihrem Schlitten. Zuerst wird eine für die Rennsituation typische Haltung vermessen – die Neutralposition. Anschließend werden Verbesserungen an der Liegeposition der Spitzensportlerin vorgenommen.

Bereits seit drei Jahren kommt das österreichische Skeleton-Nationalteam rund um Cheftrainer Michael Grünberger an die TU Graz, um sowohl Schlitten, Helm und Anzug als auch die perfekte Position der Athletinnen auf dem Schlitten für die anstehende Wettbewerbssaison zu testen. „Nach den ersten zwei Besuchen in Graz haben wir zwei Europameistertitel, eine Olympia-Goldmedaille, einen Weltcup- und einen Europacup-Gesamtsieg feiern dürfen. Und ein wichtiger Teil davon ist auf die Ergebnisse aus dem Windkanal zurückzuführen.“

Aber was genau wird bei den Versuchen gemacht?

„Die Sportler*innen legen sich zuerst in der für sie normalen Neutralposition in die Strömung. So messen wir, welche Belastungen auf den Körper und das Material einwirken und welche Widerstandskraft unter herkömmlichen Bedingungen wirkt“, sagt Christoph Irrenfried, Leiter der Arbeitsgruppe Aerodynamik am Institut. „Davon ausgehend optimieren wir die Kopf- und Fußhaltung, aber auch das Material von Helm bis Anzug, bis wir die Kraft gegen die Fahrtrichtung minimieren können.“

Nicht nur das Skeleton-Team testet regelmäßig an der TU Graz, sondern auch Bobfahrer*innen und Rodler*innen. Aber auch Versuche zu alternativen Flugzeugantrieben stehen am täglichen Forschungsprogramm.

Darüber hinaus entwickelt die Arbeitsgruppe Aerodynamik auch den Windkanal selbst kontinuierlich weiter. Zum Beispiel wurde nach den Versuchen im vergangenen Jahr ein neuer Bildschirm eingeführt, der Athlet*innen während der laufenden Messung alle gewonnenen Messdaten in Echtzeit anzeigt und direkte Adaptionen möglich macht.

Grenzschicht-Windkanal

Die 8,6 Meter lange Versuchsstrecke im Grenzschicht-Windkanal ist zu mehr als der Hälfte mit blauen Lego-Steinen in regelmäßigem Muster und mit unterschiedlichen Höhen bestückt. Dahinter stehen Modell-Gebäude aus Plexiglas auf einer schwarzen Drehplatte, die sich in verschiedenen Winkeln zur Strömung ausrichten lässt. „Die Lego-Steine beeinflussen die bodennahe Strömung ähnlich wie Bebauung, Vegetation und Topographie im städtischen Raum“, erklärt Christoph Irrenfried. Simuliert werden etwa die Windverhältnisse in und um Graz.

Auf der Drehplatte werden unterschiedliche Bebauungssituationen nachgestellt. Zum Beispiel ein Gebäude mit einem Fenster auf nur einer Fassadenseite, wie es in einer Stadt oft der Fall ist, und mehrere Gebäude in der Umgebung. Untersucht wird die natürliche Lüftung von Räumen in den Gebäuden. „Wir bringen zuerst CO₂ in das geschlossene Modellgebäude ein“, erklärt Irrenfried. „Dann öffnen wir das Fenster für exakt fünf Sekunden bei laufendem Windkanal. Aus der Konzentrationsänderung des CO₂ im Gebäude können wir berechnen, wie viel Luft ausgetauscht wurde.“ Die Gebäude können in unterschiedlichem Winkel zum Wind ausgerichtet werden.

Christoph Irrenfried und Magdalena Stenech im Grenzschicht-Windkanal des Instituts für Strömungslehre und Wärmeübertragung, in dem die Ventilation von Innenräumen unter verschiedenen Strömungsbedingungen untersucht wird. Bildquelle: Manuel Rom - TU Graz

Ein Versuch mit einem Modellgebäude dieser Art brachte spannende Erkenntnisse: Strömt die Luft frontal in das Fenster, ist der Luftwechsel am geringsten, da es vor dem Fenster zu einem Aufstau kommt und kaum Frischluft in das Gebäude strömt. Dreht man das Haus um 90 Grad weiter, sodass der Wind direkt an der Fensterfläche vorbeizieht, ist der Transport schon wesentlich besser. Optimal ist, wenn das Haus um 85 Grad vom Wind weggedreht steht, weil dann die Strömung an der Hauskante ablöst, sich direkt am Fenster wieder anlegt und dadurch gezielt Luft in den Raum geführt wird, die gemeinsam mit der verbrauchten Luft den Raum wieder verlässt.

Getestet wurde mit Winkeln von 0 bis 180 Grad – also auch in Fällen, in denen das Fenster auf der windabgewandten Seite sitzt. Wie sich die Luft genau im Raum bewegt, messen die Forschenden mit Particle Image Velocimetry. Dazu wird in dem Modellgebäude ein Öl zerstäubt und per Laser beleuchtet. Hochfrequente Fotoaufnahmen zeigen die Bewegung der Öltropfen und erlauben Rückschlüsse auf lokale Strömungsgeschwindigkeiten.

Das ist nur ein Versuch von vielen Grundlagenstudien, die am Institut gemacht werden: In anderen Projekten hat man sich den Einfluss von unterschiedlich hohen und unterschiedlich angeordneten Gebäuden auf die Ventilation angesehen – oder auch, wie sich die Länge einer Flughafenhalle und die Anzahl der Fenster auf die Lüftung auswirken. Die überraschende Erkenntnis: Drei Fenster in einer langen Halle führen zu einer schlechteren Luftwechselrate als zwei Fenster. „Wir hoffen, damit einen positiven Beitrag zur Stadtentwicklung leisten zu können“, sagt Irrenfried. „In einer bestehenden Stadt wird das nicht so einfach, aber bei Neubauten kann darauf geachtet werden. So spart man den Strom für die Raumlüftung, und es ist doch großartig, wenn das automatisch nur mit dem Öffnen eines Fensters passiert.“

Wissenschaftliche Herausforderung und sinnvoller Beitrag

Christoph Irrenfried selbst ist von der Vielfalt und den wissenschaftlichen Herausforderungen in seinem Fachgebiet fasziniert. „Die Aerodynamik ist unheimlich spannend, und es gibt noch viele offene Fragestellungen. Ich mag es, dass ich gleichzeitig einen sinnvollen Beitrag für die Gesellschaft leiste und wissenschaftlichen Herausforderungen auf höchstem Niveau gegenüberstehe.“ Und er merkt bei Studierenden, dass Begeisterung entsteht: „Ich halte seit mehreren Jahren eine Lehrveranstaltung zur Gebäudeaerodynamik, und es werden jedes Jahr mehr Studierende, die sich dafür interessieren.“