AEROLAB – Handbuch

Digitaler Windkanal für gedruckte Bauteile Version 3.0 · Stand 19.10.2026 · Thomas Schüller · Syntagma Forschung · neutrale Fassung

1 Wofür AEROLAB gedacht ist

AEROLAB berechnet im Browser, wie Luft um einen Körper strömt, und zeigt, welche Kraft der Körper dabei erfährt. Damit lassen sich Formen vergleichen, bevor sie gedruckt werden: Welche Haubenform bremst weniger, welcher Anstellwinkel eines Profils gibt das beste Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand, wie wirkt sich ein Radius an der Kante aus. Die Berechnung läuft vollständig auf Ihrem Gerät; es werden keine Daten übertragen.

Wofür AEROLAB nicht gedacht ist: Es ersetzt keine Messung und keinen Nachweis. Die Rechnung ist zweidimensional und für niedrige Reynolds-Zahlen gültig (siehe Abschnitt 9). Für Zulassung, Sicherheitsnachweise und tragende Bauteile ist das Werkzeug nicht geeignet. Es wird nicht für Rüstung, Militär, Waffen oder militärisch nutzbare Luftfahrt bereitgestellt.

2 Schnellstart

Öffnen Sie aerolab.html (Chrome, Firefox, Edge, Safari; aktuelle Fassung).
Wählen Sie unter Beispielfall einen Fall, zum Beispiel „Wirbelstraße hinter dem Zylinder". Die Rechnung startet sofort.
Wählen Sie die Ansicht: Geschwindigkeit, Wirbelstärke oder Druck. Aktivieren Sie die Rauchfäden, um den Strömungsverlauf zu sehen.
Lesen Sie rechts unten die Messwerte ab (Cd, Cl, Strouhal-Zahl) und achten Sie auf gelbe Warnhinweise.
Ändern Sie Form, Anstellwinkel oder Reynolds-Zahl und drücken Sie Neu starten.

3 Die Oberfläche

Fünf Reiter führen durch den Arbeitsablauf:

Reiter	Inhalt
Windkanal	Einzelrechnung mit Live-Bild, Messwerten und Kraftverlauf
Studie / Polare	Reihe von Rechnungen mit einer veränderten Größe (zum Beispiel Anstellwinkel)
Optimierung	Automatische Formsuche mit Ziel, Grenzen und Mindestdicke
Bauteil und Export	STL, Masse, Bild mit Messwerten, Entwurf speichern und laden
Grenzen und Hilfe	Gültigkeitsbereich, Referenzwerte, Hinweise

Die Sprache (Deutsch oder Englisch) wählen Sie oben rechts.

3.1 Windkanal

Form: Zylinder, Ellipse, Tragflügelprofil (NACA 4-stellig), angestellte Platte, Kasten mit Radius, Stromkörper mit Heckverjüngung.
Geometrie: formspezifische Regler (zum Beispiel Dicke, Wölbung, Eckenradius). Betriebspunkt: Anstellwinkel und Reynolds-Zahl.
Auflösung: Grob ist schnell und dient dem Vergleich, Standard ist der Normalfall, Fein ist langsam und für Nachprüfungen gedacht.
Kanalwände: Gleitwand entspricht einem Windkanal ohne Wandreibung; periodisch nähert eine freie Anströmung durch eine Reihe gleicher Körper.
Turbulenz-Dämpfung: stabilisiert höhere Reynolds-Zahlen auf grobem Gitter, verändert aber das Strömungsbild. Sie wird bei Bedarf automatisch zugeschaltet.
Rechentempo: bestimmt, wie viel Rechenzeit je Bild verwendet wird. Auf schwächeren Geräten niedriger stellen.

3.2 Ansichten

Geschwindigkeit: Betrag der Geschwindigkeit bezogen auf die Anströmung (hell = schnell).
Wirbelstärke: Drehung der Strömung; blau und orange kennzeichnen die beiden Drehrichtungen. Die Wirbelstraße hinter stumpfen Körpern wird hier am besten sichtbar.
Druck (Cp): Druck bezogen auf den Staudruck; rot ist Überdruck (Staupunkt), blau ist Unterdruck (Sog).

4 Ergebnisse lesen

Größe	Bedeutung
Cd	Widerstandsbeiwert: Kraft in Strömungsrichtung bezogen auf Staudruck und Bezugslänge
Cl	Auftriebsbeiwert: Kraft quer zur Strömung (positiv nach oben)
Cl/Cd	Gleitzahl, Maß für die Güte eines Profils
St	Strouhal-Zahl: Frequenz der Wirbelablösung, bezogen auf Länge und Geschwindigkeit
Re	Reynolds-Zahl: Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften
τ	Rechengröße; sehr nahe 0,5 bedeutet Instabilitätsgefahr
Verbau	Anteil der Kanalhöhe, den der Körper versperrt

Die Bezugslänge ist die Länge (Sehne, Durchmesser) des Körpers, nicht seine Stirnhöhe. Beiwerte gelten je Längeneinheit der Spannweite (zweidimensional). Der Staudruck-Bezug ermöglicht es, Ergebnisse auf andere Größen und Geschwindigkeiten zu übertragen, solange die Reynolds-Zahl gleich bleibt.

Stationär oder instationär: Bei Re über etwa 47 löst sich hinter einem Zylinder eine Wirbelstraße ab. Dann schwanken Cl und Cd; die Mittelwerte stehen in der Anzeige, und die Strouhal-Zahl wird ermittelt.

Warnhinweise erscheinen, wenn Verbau über 15 % liegt, die Körperdicke unter 4 Zellen fällt, die Rechnung instabil wird oder Re für das gewählte Gitter zu hoch ist. Nehmen Sie diese Hinweise ernst: Sie zeigen, dass die Beiwerte verfälscht sind.

5 Studie / Polare

Wählen Sie eine Variable (zum Beispiel Anstellwinkel), den Bereich und die Zahl der Punkte (2 bis 15) und starten Sie die Studie. Jeder Punkt ist eine vollständige Rechnung bis zur Konvergenz. Das Diagramm zeigt Cd, Cl und die Gleitzahl über der Variablen; die Tabelle lässt sich als CSV speichern (Semikolon-getrennt, Excel-tauglich). Mit Abbrechen beenden Sie die Reihe; die bis dahin erzielten Punkte bleiben erhalten.

6 Optimierung

Wählen Sie im Reiter Windkanal die Ausgangsform und -parameter.
Im Reiter Optimierung wählen Sie die freien Variablen und deren Grenzen.
Wählen Sie das Ziel: Widerstand minimieren, Gleitzahl maximieren, Auftrieb maximieren oder Abtrieb maximieren.
Geben Sie die Bau-/Sehnenlänge und die Mindestdicke des Bauteils in Millimetern an. Entwürfe unter der Mindestdicke werden bestraft, damit nur druckbare, ausreichend steife Formen gewinnen.
Wählen Sie die Höchstzahl der Rechnungen (30 ist ein guter Anfang) und die Auflösung (Grob für die Suche).
Starten Sie die Optimierung. Das Protokoll zeigt jede Rechnung; das Diagramm zeigt den besten bisherigen Zielwert.
Prüfen Sie das Ergebnis mit Fein nachprüfen: Ausgangsentwurf und bester Entwurf werden fein nachgerechnet und gegenübergestellt. Nur dieser Vergleich ist als Ergebnis zu verwenden.
Mit In Windkanal übernehmen laden Sie den besten Entwurf zurück in den Windkanal.

Hinweise: Die Suche ist ein lokales Verfahren; ein anderer Ausgangsentwurf kann zu einem anderen Ergebnis führen. Bei instationären Strömungen (Wirbelablösung) schwanken die Zielwerte, die Suche wird unruhiger. Stößt ein Parameter an seine Grenze, erweitern Sie die Grenze oder prüfen Sie, ob die Form an dieser Stelle noch sinnvoll ist.

7 Bauteil und Export

STL herunterladen: Die Form wird mit der angegebenen Sehnenlänge und Spannweite (mm) als Prismenkörper ausgegeben. Eine Kantenprüfung stellt sicher, dass die Hülle geschlossen ist.
Signatur: Auf der Stirnfläche kann eine kleine erhabene Signatur gesetzt werden (abwählbar). Bei zu dünnen Profilen entfällt sie; die Oberfläche meldet das.
Masse: wird aus Fläche, Spannweite, Werkstoffdichte (PLA, PETG, ASA, PA) und Füllgrad geschätzt.
Bild mit Messwerten (PNG): Strömungsbild mit Titel, Parametern, Beiwerten und Hinweisen, zum Beilegen in Berichte.
Animation aufnehmen (Video): nimmt das laufende Strömungsbild samt Messwerten 10 Sekunden lang als WebM-Datei auf, etwa für Präsentationen. Setzt einen Browser mit Aufnahmefunktion voraus (Chrome, Edge, Firefox); andernfalls erscheint ein Hinweis.
Entwurf speichern / laden (JSON): sichert Form, Parameter, Reynolds-Zahl und Exportangaben.

Der Anstellwinkel gehört zur Einbaulage und ist nicht in der STL-Geometrie enthalten; der Körper wird mit Anstellwinkel null ausgegeben und im Versuch entsprechend gekippt.

8 Hinweise zum Drucken von Prüfkörpern

Schichtlinien erzeugen Rauheit und Treppeneffekte. Drucken Sie den Körper stehend (Spannweite senkrecht): Dann verlaufen die Schichtlinien entlang der Profilkontur in Strömungsrichtung und die gekrümmte Nasenfläche bleibt ohne Treppenstufen. Bei sehr hohen, schlanken Körpern auf Standfestigkeit achten (Brim, geringere Druckgeschwindigkeit).
Feine Schichthöhe (0,12 bis 0,16 mm) und Glätten der Oberfläche (Schleifen, Füllen, Lack) verbessern die Aussagekraft von Messungen am Prototyp.
Scharfe Hinterkanten dünner als die Düsenbreite werden vom Slicer abgerundet; bei Profilen die Hinterkantendicke mit dem Slicer prüfen.
Messen Sie am Prototyp (zum Beispiel mit einem Strömungskanal oder im Fahrversuch), bevor Sie sich auf Simulationswerte verlassen. Konstruktion, Auslegung und Eignung liegen bei den Anwendenden.

9 Gültigkeit und Grenzen

Die Rechnung ist zweidimensional. Reale Strömungen sind ab etwa Re 190 am Zylinder dreidimensional.
Zuverlässig vergleichbar ist AEROLAB im laminaren Bereich: bis etwa Re 200 für kompakte Körper und bis etwa Re 1000 für schlanke Profile. Typische Fälle gedruckter Bauteile im Luftstrom liegen bei Re 10 000 und darüber; dort zeigt AEROLAB höchstens grobe Tendenzen der Formwirkung, keine Beiwerte.
Absolute Beiwerte von Profilen sind noch nicht gegen eine unabhängige Referenz geprüft (siehe Validierungsbericht). Vergleiche zwischen Formen sind zulässig.
Der Wandverbau verfälscht Beiwerte: Beim Zylinder bei Re 40 liegt Cd mit 10 % Verbau etwa ein Sechstel bis ein Fünftel über dem Wert der freien Strömung (1,81 gegenüber 1,5 bis 1,6). Vergleichen Sie Körper nur bei ähnlichem Verbau.
Nicht enthalten sind Oberflächenrauheit, Schichtlinien, Endscheiben und dreidimensionale Effekte.

Die Referenzwerte und Ergebnisse der Prüfrechnungen stehen im Validierungsbericht (Fachpapiere).

10 Fehlersuche

Beobachtung	Ursache	Abhilfe
Meldung „Rechnung instabil"	Re zu hoch für das Gitter	Re senken, Auflösung erhöhen, Turbulenz-Dämpfung einschalten
Messwerte schwanken stark	Instationäre Strömung (Wirbelablösung)	Mittelwerte lesen, länger rechnen lassen
Widerstand unerwartet hoch	Körper zu dünn für das Gitter, hoher Verbau	feinere Auflösung, größeres Gebiet, Warnungen beachten
Optimierung bleibt hängen	Ausgangspunkt am Rand, flache Zielfläche	Grenzen weiten, anderen Ausgangsentwurf wählen
STL „nicht geschlossen"	Selbstüberschneidung der Form bei extremen Parametern	Parameter innerhalb der Grenzen wählen
Bild ruckelt	Gerät zu schwach	Rechentempo senken, Auflösung Grob, Rauchfäden aus

11 Weiterführende Unterlagen

Methodenpapier, Validierungsbericht und Literatur: Fachpapiere.

Offenlegung: Der Autor betreibt gewerblich 3D-Druck und additive Fertigung und hat ein wirtschaftliches Interesse an gedruckten Bauteilen. Entwicklung unter Einsatz eines KI-Assistenten.