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Windkanal

Der Wind hat einen starken Einfluss auf die Schneedecke: er verwirbelt den Schnee, formt Wechten, kann ganze Bergflanken leer fegen und manchmal Verkehrswege unpassierbar machen. Wie Schnee durch den Wind von einem Ort zum anderen verfrachtet und wo er wie viel Schnee ablagert, ist nach wie vor nur wenig erforscht, jedoch unabdingbar, wenn es darum geht, Schnee- und Eismassen im Gebirge und in den polaren Regionen abzuschätzen.

Das Windkanallabor des SLF bietet ideale Voraussetzungen, um diese Dynamik der Schneedecke zu erforschen. Es befindet sich in Davos auf 1645 m ü. M. und ist das höchstgelegene seiner Art in ganz Europa. Seit dem Winter 2015/2016 ergänzt ein ringförmiger, kleiner Windkanal die Anlage. Damit untersuchen die Forschenden, wie eine Windkruste auf der Schneeoberfläche entsteht. Bereits seit 2001 ist ein wesentlich grösserer, offener Kanal im Einsatz, um die Verfrachtung von Schnee und Sand zu untersuchen. Im Winter erlauben diese einzigartigen Einrichtungen, Experimente unter kontrollierten Bedingungen mit vor Ort gefallenem Schnee durchzuführen. Zusammen mit neuen bildgebenden Techniken lässt sich dadurch ganz neu beleuchten, welche Austauschprozesse zwischen Schnee und Atmosphäre stattfinden und wie diese physikalisch zu erklären sind.

Ringförmiger Windkanal

Die spezielle runde Form dieser Anlage ermöglicht, eine unendlich lange Schneefläche zu simulieren. Dies ist wichtig bei Versuchen, in denen sich die beobachteten Prozesse langsam abwickeln (mehrere Minuten bis zu mehreren Stunden).

Windkanal
Figure 1: (A) Der ringförmige Windkanal, (B) Ein Propeller erzeugt den Luftstrom.

Der Propeller eines Modellflugzeugs erzeugt den Luftstrom im Windkanal. Er hat einen Durchmesser von 16 cm und dreht sich bis zu 12 000 Mal pro Minute. So können Windgeschwindigkeiten von bis zu 12 m/s erreicht werden. Der Kanal ist 20 cm breit und 50 cm hoch. Seine Aussenmasse betragen 1,5 m Breite und 2,5 m Länge.

Die Anlage ist mit einem automatischen Datenerfassungssystem ausgerüstet, das mit LabVIEW arbeitet. Das System überwacht Parameter wie Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit und -temperatur an verschiedenen Orten, Temperatur und Oberflächentemperatur des Schnees. Die Windgeschwindigkeit und in gewissem Masse auch Luftfeuchtigkeit und -temperatur lassen sich bei Bedarf regeln. Um die Schneeoberfläche zu beobachten, ist der Windkanal zudem mit einer Highspeed Kamera ausgestattet. Es lassen sich mühelos auch noch weitere Instrumente installieren, da die Abdeckungen des Windkanals entfernt werden können.

Kontakt

Langer Windkanal

SLF-Forschende nutzen den langen Windkanal im Winter vorwiegend für Versuche zur Schneeverfrachtung. Im Sommer führen sie zudem Experimente mit Sand durch, mit dem Ziel, neue Messgeräte zu testen oder zu vergleichen, wie sich Sand- und Schneekörner in einem Luftstrom verhalten. In der Vergangenheit untersuchten sie in diesem Windkanal auch, wie sich eine Pflanzendecke auf die Verfrachtung von Schnee- und Sandkörnern auswirkt.

Im Windkanal kann eine Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 20 m/s erzeugt werden. Der Versuchsbereich ist 14 m lang und hat einen Querschnitt von etwa 1 mal 1 Meter mit höhenverstellbarer Decke, sodass der Druck im Innern des Windkanal über die gesamte Länge gesteuert werden kann (Abb. 1). Um möglichst realitätsnahe Windturbulenzen dicht über der Schneeoberfläche zu generieren, befindet sich am Eingang des Windkanals eine 4 m lange Zone mit Flügelblättern und Rauhigkeitselementen am Boden. Je nach Ziel der Untersuchung lassen sich die Anordnung dieser Elemente und die dadurch entstehende Turbulenz anpassen. Gemessen wird am Ende des Kanals. Die Abmessungen des Windkanals, die im Rahmen von üblichen Umweltwindkanälen liegen, ermöglichen ausserdem, auch die Strömung über komplexen Geländeformen zu untersuchen.

windtunnelsketch
Figure 2: Schematische Darstellung des Aufbaus des SLF-Windkanals für einen Sandversuch

Seit seiner Inbetriebnahme wurden im Windkanal viele Messtechniken für unterschiedliche Zwecke entwickelt und angewendet. Zurzeit verwenden die Forschenden folgende Techniken:

Sedimentmassenstrom
  • Schneepartikelzähler, SPC (1D, 1 Hz)
  • Digitale Shadowgraphie (2C 2D, Hz - kHz)
  • Strömungsgeschwindigkeit
  • Ultraschall-Anemometer (1D - 20 Hz)
  • Heissdraht-Anemometer (1D 2C - kHz)
  • Flügelradanemometrie (1D - 0,5 Hz)
Schneedecke
  • Kinect Infrarotsensor (3D - 1 Hz)

Bei Bedarf wird zusätzlich die Härte und die Schichtung der Schneedecke im Windkanal mit dem Schnee-Penetrometer (Snow MicroPen) gemessen. Es können auch Schneeproben genommen werden, um die Dichte des Schnees zu bestimmen oder um sie mit dem Röntgen-Computertomographen zu untersuchen, der am SLF zur Verfügung steht.

Druck
  • Irwin-Sensoren
  • Statische und dynamische Druckmessungen

Zudem werden kontinuierlich Luftdruck, -feuchtigkeit und -temperatur überwacht. 

Windkanal
Figure 3: Panoramaansicht des langen Windkanals
Windtunnel
Figure 4: Metallwannen draussen vor dem Windkanal, in denen sich der Schnee für die Versuche ansammelt (unten links). Diese werden für die Versuche in den Windkanal geschoben. Ansicht des Versuchsbereichs des Windtunnels von innen (unten rechts).
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Laufende Projekte (4)
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