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Objekte M, N: Gas und Aerodynamik, Windkanäle 106
Objekt M: Gas- und Aerodynamik, Pfaffenwaldring 21
Objekt N: Windkanäle (N1: Laminarwindkanal; N2: Böenwindkanal)
Das Institut für Gasdynamik und Aerodynamik (IAG) der Universität
Stuttgart wurde 1946 als Institut für Gasströmungen von Prof. Dr.-Ing
Artur Weise (1904–1973) als Bestandteil der Technischen Hochschule
Stuttgart gegründet. Zunächst war es in den Gebäuden der ehemaligen
Forschungsanstalt Graf Zeppelin in Ruit (heute Stadtteil von Ostfildern)
untergebracht. Als die von den Alliierten auferlegten Beschränkungen
für die deutsche Luftfahrt durch den Deutschlandvertrag am 5. Mai
1955 aufgehoben wurden, leitete Professor Weise ab 1956 für sechs
Jahre die neu gegründete Abteilung für Luftfahrttechnik. 1962 wählte ihn die Fakultät für
Maschinenwesen zum Dekan und ab 1963 war er für zwei Jahre Rektor der TH Stuttgart. Die
Planungsarbeiten der Institutsgebäude erfolgten durch Professor Günter Wilhelm (1908–
2004), seinen Mitarbeiter Siegfried Rösemann (1928 geboren, inzwischen Professor) und das
Statikbüro Pieckert. Wilhelm plante in den 1930er Jahren bereits die Forschungsanstalt Graf
Zeppelin in Ruit, später standen vor allem Bildungseinrichtungen im Zentrum seiner Arbeit.
Nach den Vorgaben von Professor Weise sollte ein vorwiegend experimentell ausgerichtetes
Institut gebaut werden, welches über mehrere Windkanäle im Über- und Unterschallbereich
verfügte.
Abb. 2: Lageplan des IAG
Abb. 1: Artur Weise
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Die Bauphase der Gebäude dauerte von 1957 bis 1960, wobei die meisten experimentellen
Anlagen erst im Laufe der folgenden Jahre durch die Arbeit der Institutsmitarbeiter
funktionsfähig gemacht werden konnten.
Bürogebäude
Da theoretische und experimentelle Untersuchungen sehr unterschiedliche Räumlichkeiten
benötigten, wurde das Institut in mehrere Gebäude aufgeteilt. Im Bürotrakt des IAG waren
ursprünglich Arbeitsräume für das
wissenschaftliche Personal, ein Sekretariat,
eine Bibliothek, Laborräume (Elektronik,
Optik, Fotografie), Konstruktionsräume und
ein kleiner Hörsaal untergebracht. Im Laufe
der Jahre wurden die Laborräume
zunehmend in die Versuchshalle ausgelagert
und durch zusätzliche Seminarräume ersetzt,
da durch die zunehmende Anzahl an
Studierenden mehr Raum für theoretische Arbeiten benötigt wurde. Die Längswände sind in
Stahlbeton gefertigt, die Giebelseiten bestehen aus Klinkermauerwerk, die Innenwände aus
Sichtmauerwerk.
Abb. 3: Luftbildaufnahme während der Bauphase um etwa 1958. Oben: Bürogebäude, Mitte: Werkstattanbau, rechts: Versuchshalle, links: Laminarwindkanal
Abb. 4: Bürogebäude in der Bauphase, ca. 1958
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Kunstwerk von Erich Hauser
In der Nähe des Eingangsbereichs des
Bürogebäudes befindet sich ein Kunst-
werk des Bildhauers Erich Hauser
(1930–2004). Der gelernte Stahl-
graveur arbeitete überwiegend mit
dünnen, meist industriell gefertigten
Platten aus rostfreiem Stahl. Die 1962
angefertigte Plastik aus Sichtbeton
nimmt eine besondere Stellung im Werk des Künstlers ein, da sie neben einem Relief am
Staatstechnikum in Karlsruhe seine einzige Arbeit aus Beton darstellt. Die 14 m lange Plastik
besteht aus aneinandergereihten Betonquadern, welche entlang einer imaginären Achse durch
ihre asymmetrische und schwunghafte Anordnung den Eindruck reger Bewegung hinter-
lassen. Durch unregelmäßige Rillen auf der Oberfläche wird dieser Effekt noch verstärkt. Die
leichte und beschwingte Wirkung steht im Kontrast zu dem schweren und massiven Baustoff.
Passend zur wissenschaftlichen Ausrichtung des Instituts könnte das Objekt eine kräftige
Strömung symbolisieren.
Versuchsanlagen des IAG
Das IAG ist mit einer Reihe von
experimentellen Anlagen ausgestattet. Die
Wind- und Wasserkanäle dienen der
Ausbildung von Studierenden und der
wissenschaftlichen Grundlagenforschung.
Darüber hinaus wird ein Teil der Ausstattung
für Auftragsarbeiten der Industrie eingesetzt.
Überdies verfügt das IAG über verschiedene
einfache Versuchs- und mobile Messanlagen.
Abb. 5: Betonplastik
Abb. 7: Bürogebäude heute
Objeket M, N: Gas und Aerodynamik, Windkanäle 109
Die folgende Tabelle listet die wichtigsten Versuchseinrichtungen auf:
Versuchsanlage Mach-
Zahl
Höchstgeschwindigkeit
(m/s)
Messquerschnitt
(m²)
Kleiner Überschallwindkanal 1,5 - 3,0 0,12 x 0,08
Mittlerer
Überschallwindkanal
1,5 – 3,0 0,20 x 0,15
Großer Stoßwindkanal 1,75 – 4,5 1,20 x 0,8
Laminarwindkanal 90 2,73 x 0,73
Böenwindkanal 17 Ø = 6,3 m
Kleiner
Unterschallwindkanal
40 0,0387
Mittlerer
Unterschallwindkanal
60 – 24 Ø = 1 – 1,75 m
Grenzschichtkanal 18 2,5 x 2,0
Großer Wasserkanal 2,5 1,53 x 0,76
Laminarwasserkanal 0,2 1,2 x 0,5
Flachwasserkanal 0,4 0,65 m breit
Stoßwindkanal
Der Große Stoßwindkanal des IAG hat eine Gesamtlänge von 125,84 m und wiegt 150 t. Er
ist ein Kurzzeit-Überschallwindkanal (Mach-Zahl 1,75 - 4,5) und funktioniert nach dem
Prinzip des Stoßwellenrohrs mit Lavaldüse. Beide Enden sind geschlossen und das Innere
wird durch eine gasundurchlässige Membran in einen Hochdruck- und einen Nieder-
druckraum unterteilt.
Die Stoßwellenrohre haben einen Innendurchmesser von 2,16 m und befinden sich auf einer
Gleisanlage mit ca. 170 m Länge, welche mit Haupt- und Verschiebegleis aus zwei Teilen
besteht. Da bei Grundwasserproben betonschädigende Stoffe gemessen wurden, musste für
die Fundamente Hochofenzement eingesetzt werden. Zwischen den Rohren befindet sich die
Messkammer, welche in einem eigenen Messhaus untergebracht ist, um das empfindliche
Instrumentarium zu schützen. Am 16.06.1967 wurde ein erster erfolgreicher Test der Anlage
durchgeführt, bei welchem noch keine Messungen vorgenommen werden konnten.
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Im Frühjahr 1970 war der Stoßwindkanal komplett ausgestattet, wobei erst Ende 1972 alle
üblichen Messverfahren einsatzfähig waren. Mitte der siebziger Jahre erfolgte aufgrund neuer
Forschungsschwerpunkte die weitgehende Stillegung, welche Anfang der neunziger Jahre
durch Sanierungsarbeiten wiederum aufgehoben werden konnte. Da der Kanal über keinen
eigenen Antrieb verfügt, wird er durch eine zusammen mit anderen Überschallwindkanälen
genutzte Luftversorgungsanlage betrieben.
Abb. 9: Messkammer und Prüfinstrumente
Abb. 7: Niederdruckrohr des Stoßwindkanals (Länge knapp 52 m)
Abb. 8: Anlieferung der Messkammer des Stoßwindkanals, 1966
Abb. 10: Messkammer von innen
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Luftversorgungsanlage der Überschallwindkanäle
Die Windkanäle des IAG im schallnahen und im Überschallgeschwindigkeitsbereich sind
nicht für den Langzeitbetrieb ausgerichtet, da hierfür enorme Antriebsleistungen erforderlich
gewesen wären. Stattdessen werden die Kanäle zeitweise an Druck- und Vakuumspeicher
angeschlossen. Das Volumen des Druckspeichers beträgt 100 m³, der Maximaldruck liegt bei
64 bar (Einheit für 105 Pascal). Er wird nach Bedarf durch zwei hintereinandergeschaltete
Kompressoren (Turboverdichter und Kolbenverdichter) mit einer Leistung von 3600 Nm³/h
aufgeladen, welche ab 1963 einsatzfähig waren. Die Vakuumspeicher mit 1200 m³ Volumen
müssen nach jedem Versuch neu geladen werden. Es dauert ungefähr eine Stunde, den Druck
in den Behältern auf 5 mbar (= Hektopascal) zu senken.
An dieser Luftversorgungsanlage werden der Große Stoßwindkanal, der Mittlere Überschall-
windkanal, zwei kleine Überschallwindkanäle, zwei transistorische Kanäle im schallnahen
Machzahlbereich und der Experimentierwindkanal, welcher im Hyperschallbereich arbeitet,
angeschlossen.
Laminarwindkanal
Eine laminare Strömung ist eine ruhige
Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten,
welche keine beobachtbaren Turbulenzen
aufweist. Der sog. Laminarwindkanal des
IAG weist dementsprechend einen außer-
ordentlich niedrigen Turbulenzgrad und
eine sehr gute Strömungsqualität auf. Die
Abb. 11: Links: Vakuumbehälter, Mitte: Schalldämpferturm und Druckbehälter, rechts: Versuchshalle, vorne: Kühlteich. Aufnahme ca. 1960er Jahre
Abb. 12: Laminarwindkanal
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Bauweise wird als Eiffel-Typ bezeichnet (offene Kanäle, welche durch Außenluft gespeist
werden, benannt nach Gustave Eiffel). Durch die Lage an einem kleinen Waldstück ist der
Laminarwindkanal von den Witterungsbedingungen weitgehend unabhängig. Die 3,15 m lan-
ge Messstrecke weist einen Querschnitt von 2 m² auf und ist in geschlossener Bauweise aus-
geführt. Über einen drehzahlgesteuerten Gleichstrommotor mit einer Leistung von 220 kW
kann eine Maximalgeschwindigkeit von 90 m/s erreicht werden. Der 46 m lange Kanal ging
1962 in Betrieb und wird hauptsächlich in der Profilentwicklung und der
Grenzschichtforschung eingesetzt, beispielsweise zur Modellentwicklung von Flugzeug-
flügeln oder Windkrafträdern. Zur Erfassung
und Verarbeitung der Daten stehen in den
Mess- und Auswerteräumen Rechner zur
Verfügung, die eine automatische digitale
Signalanalyse ermöglichen. Zur Visuali-
sierung der Strömungsvorgänge stehen
diverse Verfahren zur Verfügung,
beispielsweise das Anstrichverfahren,
Rauchsonden oder Wollfäden.
Abb. 13: Messstrecke - an das Profil sind Wollfäden zur Sicht-barmachung der Strömung an gebracht
Abb. 14: Messkonsole
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Böenwindkanal
Mit einem besonders groß gewähl-
ten Messquerschnitt von 6,30 m
wartet der Böenwindkanal des
IAG auf. Die Konzeption dieser
Anlage des Eiffel-Typs erfolgte
speziell zur experimentellen Un-
tersuchung von Windturbinen.
Dieser Böenwindkanal war jedoch
auch für Messungen des Solar-
flugzeugs Icaré 2 und in der Ge-
bäudeaerodynamik im Einsatz.
Eine ungewöhnliche Anwendung war darüber hinaus die Durchführung von Haltungsstudien
in diversen Sportarten. Durch die Ausmaße können manche Teile in Originalgröße getestet
werden. Die Messstreckenwand ist als Schlitzwand ausgeführt, um Wandinterferenzen abzu-
mildern. Ein stufenlos regelbares Axialgebläse mit einer Leistung von 315 kW ermöglicht
eine maximale Strömungsgeschwindigkeit von 17 m/s.
Die Planung der 1983 fertiggestellten Anlage erfolgte durch Albin Schalk vom Universitäts-
bauamt Stuttgart. Die Ausführung übernahm die Turbo Lufttechnik GmbH aus Zweibrücken.
Zu den Baumaßnahmen zählte auch ein neues Messlabor. Durch zunehmende Bewaldung und
Bebauung im Ansaugbereich verschlechterte sich die Strömungsqualität im Laufe der Jahre.
Um dieses Problem zu beheben, wurde 2006 ein ausfahrbares Netz mit 12 m Länge installiert.
Abb. 15: Böenwindkanal
Abb. 16: Instrumente im Messlabor Abb. 17: Modell eines Windturbinenteils im Kanal
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Versuchshalle
Das größte Gebäude des IAG ist die Versuchshalle, in welcher zahlreiche experimentelle Ver-
suchsanlagen untergebracht sind. In ihr befanden sich ursprünglich Teile der Luftversor-
gungsanlage, kleinere Unter- und Überschallwindkanäle, eine Luftreinigungsanlage und eine
Schaltwarte. Heute sind auch Wasserkanäle und Labore in Containerbauweise untergebracht.
Die tragende Konstruktion besteht aus Stahl-
stützen, welche im Abstand von 5 m verbaut
sind. In der Fassade wurden Durisol-Wand-
platten und Fenster in kittloser Verglasung
verarbeitet.
Der Grenzschichtkanal in der Versuchshalle ist
ein Windkanal des Eiffel-Typs mit rechtecki-
gem Kanalquerschnitt und einer Gesamtlänge
von 19,24 m. Er kann mit unterschiedlichen
Bodenrauhigkeiten und Einlaufhindernissen
ausgestattet werden, um verschiedene erdober-
flächennahe Luftverwirbelungen zu simulieren.
Seine Einsatzgebiete liegen vor allem in der Gebäude- und industriellen Aerodynamik. Dane-
ben dient er zur Erforschung weitgespannter Flächentragwerke, Membrankonstruktionen und
Brücken unter Windeinfluss. Abgesehen von einem eigenen Hydromotor wird der Grenz-
schichtkanal von einer Anlage mit 120 kW angetrieben, welche auch vom danebenliegenden
Mittleren Niedergeschwindigkeitskanal genutzt wird. Letzterer ist ein Freistrahlkanal vom
sog. Göttinger Typ (die Luft wird zurückgeführt), welcher z.B. in der Flugzeug- und Gebäu-
deaerodynamik seinen Einsatz findet. Der 22,5 m lange Kanal verfügt über eine offene Mess-
Abb. 18: Versuchshalle im Bau, ca. 1957
Abb. 20: Links: Mittlerer Niedergeschwindigkeitskanal, Mitte: Grenzschichtkanal, rechts: Luftversorgungsanlage
Abb. 19: Innenansicht der Versuchshalle heute
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strecke und kann, abhängig von der gewählten Düsengröße, eine Geschwindigkeit von bis zu
60 m/s erreichen.
Wasserkanäle
Die Strömungsvorgänge laufen in einem Wasserkanal durch die höhere dynamische Viskosi-
tät (Zähflüssigkeit) wesentlich langsamer als in einem Windkanal ab. Dadurch ist deren
Sichtbarmachung wesentlich leichter zu realisieren, wobei diese mit Hilfe von Farbstoffen,
Wasserstoffbläschen oder Luftbläschen noch zusätzlich erleichtert werden kann. Die Schwie-
rigkeiten bei der Arbeit mit Wasserkanälen liegen vor allem in der hohen statischen und dy-
namischen Belastung der Kanalwände und in der Vermeidung von Korrosion. Durch die jahr-
zehntelange Erfahrung des IAG sind diese Problembereiche inzwischen weitestgehend be-
herrschbar. In der Versuchshalle befinden sich drei Wasserkanäle.
Der 1975 errichtete große Wasser-
kanal enthält eine Wassermenge
von 70 m³ und wird für aero- und
hydrodynamische Versuche auf
dem Luft- und Kraftfahrzeugsektor
benutzt. Die glasfaserverstärkte
Sandwichkonstruktion ist 2,85 m
lang und durch verglaste Mess-
kammerwände können die Strö-
mungsvorgänge von außen be-
obachtet werden. Der geschlossene
Kreislauf wird durch zwei Axial-
pumpen mit einer Leistung von 23 kW angetrieben, womit eine Maximalgeschwindigkeit von
2,5 m/s erreicht werden kann.
Überwiegend zu Zwecken der Grundlagenforschung wird der Laminarwasserkanal eingesetzt.
In dem 1985 fertiggestellten Kanal werden die noch nicht vollständig verstandenen Vorgänge
beim laminar-turbulenten Grenzschichtumschlag erforscht. Dabei soll der Übergang der lami-
naren (ruhigen, schichtenartigen) in die turbulente (unruhige, vermischte) Strömungsform bei
Scherströmungen erklärt werden. Die Fiberglas-Sandwich-Konstruktion ist ein Umlaufkanal
mit zwei gegenläufigen Axialpumpen, welche per Treibriemen von einem drehzahlgeregelten
Motor mit 2,4 kW angetrieben werden.
Abb. 21: Großer Wasserkanal, im Vordergrund sind die verglasten Messkammerwände zu sehen
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Der Flachwasserkanal ist mit 65 cm sehr klein und dient zur qualitativen Sichtbarmachung
von Strömungsvorgängen der Gasdynamik. Dies ist möglich, da sich bestimmte Gasströmun-
gen analog zu Flüssigkeitsströmungen verhalten.
Werkstatt
Die Institutswerkstatt des IAG dient zur Konstruktion, Erweiterung und Instandhaltung der
experimentellen Ausstattung des Instituts. Hierzu ist sie beispielsweise mit Bohr- und
Schleifmaschinen, einer CNC-Fräsmaschine und einer CNC-Drehmaschine ausgestattet. Dar-
über hinaus beherbergt das Gebäude eine Flaschnerei, eine Farbspritzanlage und eine Werk-
statt für Holz- und Kunststoffverarbeitung.
Kosten
In einem Kostenanschlag von 1957 wurde der Endbetrag für das Institut inkl. aller Außen-
anlagen auf 5,945.000 DM beziffert. Die Verträge mit Bau- und Lieferfirmen beinhalteten
Kostenklauseln, wobei durch die kontinuierlichen Arbeiten an den Versuchsanlagen eine ge-
naue Schätzung der Gesamtkosten schwerfällt. Für die Windkanäle und deren Versorgungsan-
lagen fielen regelmäßig nicht unerhebliche Instandhaltungskosten an. Folgende Zahlen konn-
ten über die Kosten von Erweiterungs- und Sanierungsarbeiten gefunden werden:
Bau des großen Wasserkanals (1975/76): 106.000 DM (Beton- und Stahlarbeiten) plus
115.000 DM (Ausrüstung und Instrumentierung); Böenwindkanal inklusive Messlabor
(1983): 733.000 DM; Instandsetzung der Gleisanlage und Einfriedung des Stoßwindkanals
(1991): 630.000 DM; Farbspritzanlage (1998): 507.000 DM; Einbau eines Optiklabors in die
Abb. 22: Werkstatt des IAG
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Versuchshalle und Instandsetzung betriebsspezifischer Anlagen (1999): 538.000 DM; Ein-
laufsverlängerung des Böenwindkanals (2006): 50.000 Euro; schalltechnische Auskleidung
des Laminarwindkanals (2008/09): 158.000 Euro.
Archivalien
Universitätsbauamt Stuttgart und Hohenheim, Pfaffenwaldring 32, 70569 Stuttgart-
Vaihingen.
Universitätsarchiv Stuttgart, Geschwister-Scholl-Str. 24, 70174 Stuttgart.
Literatur
Becker, Norbert; Quarthal, Franz, Die Universität Stuttgart nach 1945, Stuttgart, 2004.
Decker, R.; Glasauer, F. A., Universität Stuttgart, die neue Hochschulstadt Vaihingen: Be-
richt des Universitätsbauamtes Stuttgart, Stuttgart, 1977.
Küster, Bärbel, Erich Hauser – Leichtigkeit in Beton, in: Stuttgarter Uni-Kurier 99, 1/2007,
online verfügbar unter:
http://www.uni-stuttgart.de/hkom/publikationen/uni-kurier/uk99/rubriken/kunst.html,
zuletzt überprüft am 23.05.2012.
Schwarz, Günter, Das Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart:
1946 – 1996: Festschrift zum 50-jährigen Bestehen des Instituts, Stuttgart, 1996.
Website (zuletzt überprüft am 23.04.2013)
http://www.iag.uni-stuttgart.de/IAG/institut/beschreibung.html (und weiterführende Links)
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Schwarz, S. 6.
Abb. 2: Schwarz, S. 30.
Abb. 3: Universitätsarchiv Stuttgart. Freigegeben von Innenministerium Baden-Württemberg,
Nr. 2/7082. Luftbild: Albrecht Brugger, Stuttgart.
Abb. 4: Schwarz, S. 21.
Abb. 5, 6, 7: Aufnahmen des Autors, 2012, 2013.
Abb. 8, 9: Schwarz, S. 25.
Abb. 10: Schwarz, S. 32.
Abb. 11: Universitätsarchiv Stuttgart.
Abb. 12: Aufnahme des Autors, 2012.
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Abb. 13, 14: Aufnahmen von Klaus Hentschel, 2010.
Abb. 15: Aufnahme des Autors, 2012.
Abb. 16: Aufnahme von Klaus Hentschel, 2010.
Abb. 17: Schwarz, S. 39.
Abb. 18: Schwarz, S. 20
Abb. 19: Aufnahme des Autors, 2012.
Abb. 20: Schwarz, S. 37.
Abb. 21: Aufnahme von Klaus Hentschel, 2010.
Abb. 22: Aufnahme des Autors, 2012.
Autor
Ralph Hägele, Student des Masters Wissenskulturen