Warum Strömungsmechanik entscheidend ist?

Eine Luftwand funktioniert nicht allein dadurch, dass Luft mit hoher Geschwindigkeit aus einer Öffnung austritt. Entscheidend ist, was von dieser Strömung an der kritischen Stelle der Öffnung noch ankommt.

Kritische Bereiche der Öffnung

Der relevante Punkt ist nicht nur die Austrittsgeschwindigkeit direkt an der Düse. Entscheidend ist, wie viel nutzbare Strömungsenergie dort noch vorhanden ist. Bei offenen Toren oder Eingängen ist das häufig der untere Bereich der Öffnung, weil dort kalte Luft eindringt oder Zugluft spürbar wird. Bläst man seitlich, dann ist zusätzlich der mittlere Bereich der Öffnung relevant.

Wind drückt von außen gegen die Öffnung und je nach Zustand des Gebäudes dringt mehr oder weniger Luft ein. Wenn der Wind zum Beispiel etwa 3 m/s schnell ist, dann muss der Luftstrahl an dieser Stelle noch deutlich mehr Geschwindigkeit besitzen. Aus unserer Erfahrung liegt dieser Wert typischerweise bei etwa 5 m/s.

Die kritischen Bereiche hängen außerdem von der Anwendung ab. Bei einem Kühlhaus geht es oft darum, warme Außenluft vom Eindringen in den gekühlten Bereich abzuhalten. Bei einem beheizten Gebäude steht eher der Austritt warmer Innenluft und der Eintritt kalter Außenluft im Vordergrund. Bei Müllverarbeitung, Kompostierung oder Prozessluft kann der kritische Punkt dort liegen, wo Gerüche, Staub oder belastete Luft aus dem Bereich austreten würden.

Absaugungen, Ventilatoren und Temperaturunterschiede können den kritischen Bereich beeinflussen.

Druck, Geschwindigkeit und Impuls

Die Navier-Stokes-Gleichungen beschreiben die Bewegung von Luft als reales Fluid. Für eine Luftwand sind sie deshalb relevanter als einfache Idealmodelle, weil sie nicht nur Druck und Geschwindigkeit betrachten, sondern auch Reibung, Scherung, Turbulenz, Dichte und äußere Kräfte wie Gravitation.

Vereinfacht gesagt: Druckunterschiede beschleunigen Luft. Die Dichte der Luft beeinflusst Massenstrom und Impuls. Geschwindigkeit erzeugt Bewegung und Wirkung. Reibung, Scherung und Turbulenz bauen diese Wirkung wieder ab. Genau darum geht es bei einer Luftwand.

Am Rand des freien Luftstrahls bildet sich eine Grenz- beziehungsweise Mischschicht. Dort trifft schnelle Strahlluft auf langsamere Umgebungsluft. Der Strahl überträgt Impuls auf die Umgebungsluft, reißt diese mit und verliert dabei Geschwindigkeit, Impuls und nutzbare Strömungsenergie.

Diese Verluste reduzieren wir durch gleichmäßige Druckverteilung, definierte Ausblasrichtung, beruhigte Strömung vor der Düse und eine geeignete Düsengeometrie.

Praktisch heißt das: Der Luftstrahl muss so erzeugt werden, dass er über die notwendige Strecke möglichst viel Richtung, Geschwindigkeit und Impuls behält. Es genügt nicht, am Austritt hohe Geschwindigkeit zu messen. Wenn der Strahl auf dem Weg durch die Öffnung zu stark abbremst, verwirbelt oder seitlich ausweicht, kommt an der kritischen Stelle zu wenig an, um gegen die einströmende oder austretende Luft zu wirken.“

Druckraum und Düse

Wir arbeiten mit deutlich höheren Drücken als viele Luftschleier.

Hoher Druck ist die Voraussetzung, um Luft kontrolliert zu beschleunigen und über eine definierte Düse als gerichteten Luftstrahl auszublasen. Der Ventilator baut den Druck auf; der Druckraum verteilt ihn über die Länge der Düse. Die Düse setzt den Druck in gerichtete Strömungsgeschwindigkeit um; die Geometrie sorgt dafür, dass der Luftstrahl möglichst gleichmäßig und geordnet austritt und die Stromlinien in die gewünschte Richtung verlaufen.

Für eine Luftwand ist das entscheidend, weil nicht möglichst viel Luft bewegt werden soll, sondern ein stabiler Luftstrahl entstehen muss. Der Luftstrahl soll entlang der gesamten Düse gleichmäßig austreten, eine definierte Richtung besitzen und an der kritischen Stelle der Öffnung noch genügend Strömungsenergie und Impuls haben.

Die SAW-Airwall nutzt deshalb ein Druckmodul mit definiertem Stauraum und Düsengeometrie. Der Stauraum hat zwei Aufgaben.

Erstens soll entlang der gesamten Düse ein möglichst gleichmäßiger Druck anliegen. Nur dann tritt der Luftstrahl über die ganze Länge gleichmäßig aus. Ohne diese Druckverteilung entstehen lokale Unterschiede: An manchen Stellen tritt mehr Luft aus, an anderen weniger. Die Luftbarriere wird ungleichmäßig und verliert Wirkung.

Zweitens richtet der Stauraum die Luft vor der Düse. Die Luft soll nicht zufällig, schräg oder lokal verwirbelt ausströmen, sondern definiert nach außen geführt werden. Die Richtung des Luftstrahls ist entscheidend, weil eine Luftwand nur dann wirksam trennt, wenn die Strömung möglichst geordnet und mit geringen Queranteilen austritt.

Hoher Druck ist aber kein Selbstzweck. Entscheidend ist, wie verlustarm und gleichmäßig dieser Druck über die Düsengeometrie in einen wirksamen Luftstrahl umgesetzt wird. Unsere optimierten Düsen sind zum Patent angemeldet und erzielen in Messungen nach ISO 27327-1:2009 bis zu 40 % höhere Ausblasgeschwindigkeit bei gleichem Energieeinsatz gegenüber der vorherigen Düsenausführung.

Durch den kontinuierlich verjüngenden Querschnitt wird die Luft sukzessive beschleunigt, bevor sie die Düse an der schmalsten Stelle mit der höchsten Geschwindigkeit verlässt.

Bereits 50 m/s haben wir realisiert und gemessen. Das entspricht etwa Mach 0,15. Damit bleibt die Strömung in der Regel noch näherungsweise inkompressibel, liegt aber bereits in einem Bereich, in dem weitere Geschwindigkeitssteigerungen sorgfältig betrachtet werden müssen.

Warum ein schmaler Spalt allein nicht genügt

Ein schmaler Austrittsspalt hilft, einen konzentrierten Luftstrahl zu erzeugen. Die Vermischung beginnt dann an den äußeren Schichten des Strahls. Im Kern des Strahls kann die Bewegungsenergie länger erhalten bleiben. Dadurch kann der Luftstrahl über eine größere Strecke stabiler bleiben.

Das gilt aber nur innerhalb einer sinnvollen Auslegung. Ein immer kleinerer Spalt und eine immer höhere Austrittsgeschwindigkeit führen nicht automatisch zu größerer Reichweite. Sehr kleine Spalte können zwar hohe Geschwindigkeiten erzeugen, aber auch sehr schnell Energie verlieren, wenn Luftmenge, Strahlform und Druckführung nicht passen.

Sehr schnelle, kleine Luftstrahlen können auf kurze Distanz stark wirken, sind aber nicht automatisch geeignet, über mehrere Meter eine stabile Luftbarriere zu bilden. Für eine Luftwand zählt deshalb nicht ein einzelner Wert wie Spaltbreite oder Austrittsgeschwindigkeit.