Aerodynamik

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was ist Aerodynamik

Auftrieb

Körper im Luftstrom

Druck

Profilformen

Widerstand

 

Aerodynamische Gesetze

Was ist Aerodynamik:

Aerodynamik ist die Lehre von den physikalischen Gesetzmäßigkeiten die bei strömenden Gasen und von Gas umströmten Körpern auftreten (z.B. Luftwiderstand, Auftrieb).

Anwendung findet sie z.B. im Fahrzeug-, Schiff-, und Luftfahrzeugbau.

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Körper im Luftstrom

Strömungsformen:

Stromlinien:

Prinzip Laminare & Turbulents Luftströhmung

Unter Stromlinien versteht man die Bahnlinie eines Gas- oder Flüssigkeitsteilchens

Laminare Strömung:

Die ungestörte laminare Strömung ist aus einzelnen, parallel zueinander liegenden Schichten aufgebaut. Die Luftteilchen bewegen sich geordnet auf ihrer Stromlinienbahn, ohne sich zu vermengen.

Turbulente Strömung:

Die turbulente Strömung ist eine ungeordnete, unregelmäßige, vermischte Strömung, ohne internen Zusammenhalt.

Strömung am Tragflächenprofil:

Unterschall:

Unterschallprofil

Betrachtet man ein Flügelprofil bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten z.B. Mach 0,5, liegt am gesamten Profil eine Unterschallströmung vor. Auf der Profiloberseite wird die Luftströmung beschleunigt, dadurch der Druck verringert. Auf der Profilunterseite ist es genau umgekehrt. Durch diesen Vorgang entsteht Auftrieb.

Transschall (hoher Unterschall):

 

Ab einer bestimmten Fluggeschwindigkeit (kritische Machzahl), tritt auf der Profiloberseite erstmals Überschallströmung auf. Das geschieht, abhängig vom verwendeten Profil bei etwa Mach 0,8. Der Übergang vom Unter-, zum Überschall wird auch Schallmauer bezeichnet. Der Durchbruch durch die Schallmauer ist deutlich als Überschallknall zu hören. Der Widerstand steigt drastisch an und es kommt zu plötzlichen Momentenänderungen. Beides wird primär durch "Verdichtungsstöße" (Überschallströmung) hervorgerufen.

Transschallprofil

Überschall:

Überschallprofil

Beim Überschall spricht man von einer Geschwindigkeit von Mach 1 und mehr. Die Schallgeschwindigkeit ist nicht konstant, sondern von Temperatur, Druck und der Dichte des Mediums Luft abhängig. Ist z.B. die Temperatur geringer, ist auch die tatsächliche Geschwindigkeit kleiner. Die Machzahl ist jedoch in beiden Fällen gleich.

 

Machzahl:

Die Machzahl beschreibt das Verhältnis zwischen der Strömungsgeschwindigkeit (Fluggeschwindigkeit) und der Schallgeschwindigkeit. Von Überschallgeschwindigkeit spricht man, wenn die Fluggeschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit ist. Man spricht von Mach 1.

Verdichtungsstoß:

Verdichtungsstoß

Ein Verdichtungsstoß ist eine nicht kontinuierliche, sprunghafte Änderung  des Strömungszustandes am Profil und tritt nur im Überschall auf. Dichte, Druck und Temperatur steigen an. Die Geschwindigkeit sinkt jedoch. Der Übergang vom Unter-, zum Überschall erfolgt kontinuierlich, während der Übergang vom Über-, zum Unterschall und Geschwindigkeitsänderungen im Überschall über Verdichtungsstöße abläuft. Von der Lage der Stoßfront zur Strömungsrichtung gesehen, unterscheidet man zwischen senkrecht und schrägen Verdichtungsstößen. Ein senkrechter Stoß bringt Überschallströmung stets auf Unterschall und behält die Strömungsrichtung bei. Ein schräger Stoß verringert die Geschwindigkeit und lenkt die Strömung um. Ursachen für eine Entstehung eines Stoßes sind z.B. ein hoher Gegendruck (z.B. Unterschall-Triebwerkseinlauf).

Grenzschicht:

 

Befindet sich ein Körper im Luftstrom, so ist die Geschwindigkeit eines Luftteilchens direkt an der Körperoberfläche gleich Null. Mit größer werdendem Abstand von der Körperoberfläche wächst die Geschwindigkeit der Luftteilchen von 0 m/s bis zu 99% der vollen Geschwindigkeit der unbeeinträchtigten Luftströmung an. Der Bereich in dem die Geschwindigkeit von Null auf den vollen Betrag anwächst, nennt man Grenzschicht. Sie kann laminare und turbulente Strömung aufweisen. Am Umschlagpunkt wechselt die laminare Grenzschicht ihre Strömungsform und wird zur turbulenten Strömung. Die Lage des Umschlagpunktes ist abhängig von Form des Profils, Geschwindigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und Dichte der Atmosphäre. Das Ablösen der Grenzschicht erfolgt durch Reibung und Querschnittszunahme. Das Abreißen der Strömung erfolgt aufgrund der Art der Strömung, Strömungsgeschwindigkeit, Höhe der Reibung und dem Maß der Querschnittsänderung.

Beeinflussung der Grenzschicht durch:

 

Anblasen von Luft: durch Düsen auf der Profiloberseite z.B. durch Abzapfluft vom Triebwerk (F-104, MiG 21)

Absaugen der Luft: bewirkt Laminarhaltung der Strömung, Strömung reißt nicht ab

Wirbelstromgeneratoren (Vortex-Generator): Turbulenzbleche führen Umschlag der laminaren Grenzschicht in turbulente Grenzschicht herbei (Seitenruder, Höhenruder, Klappen an Tragflächen), der Abriss der Grenzschicht wird vermieden

Grenzschichtzäune: nur am Pfeilflügel, weil die Grenzschicht zu den Flügelspitzen hin abwandert

Ströhmung am Profil (zum vergrößern anklicken)

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Profilformen von Tragflächen

An Luftfahrzeugen werden unterschiedliche Anforderungen gestellt, dies erfordert Entwicklung und Einsatz unterschiedlicher Profilformen.

Profilgeometrie:

An einem Tragflächenprofil gibt es genau definierte Begriffe, die der Bezeichnung dienen.

 

Profilform:

Flugzeuge fliegen je nach Anforderung und Einsatzart in den verschiedensten Geschwindigkeitsbereichen durch die Luftkorridore dieser Welt. Bei der Konstruktion von Flugzeugen werden die Tragflächenprofile dem hauptsächlichen Einsatzprofil und Einsatzgeschwindigkeit angepasst, um den optimalen Auftrieb und den möglicht geringsten Widerstand zu erreichen. So erhalten z.B. Sportflugzeuge  kein Überschallprofil und Mach 2 schnelle Jäger kein Profil von Segelflugzeugen.

 

Anstellwinkel:

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen Profilsehne und der anströmenden Luft. Er kann vom Piloten während des Fluges verändert werden, indem er die Nase des Flugzeuges im Geradeausflug etwas anhebt oder senkt.

 

Einstellwinkel:

Der Einstellwinkel ist der Winkel zwischen Profilsehne und Längsachse des Flugzeuges. Er ist durch die Konstruktion des Luftfahrzeuges festgelegt und kann vom Piloten nicht verändert werden.

 

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