Aerodynamik Habersater H.
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FSC Weiz 7. Jänner 2012 Aerodynamik Inhalt Die Erde und ihre Atmosphäre Die Erde Umfang und Masse Die Schwerkraft Das Gravitationsfeld Die Atmosphäre Beschaffenheit und typische Merkmale Strömung und Geschwindigkeit 07.01.2012 Das 3. Newton‘sches Gesetz Die Messung der Geschwindigkeit Das Bernoullische Gesetz Die Strömung am Profil (Impulserhaltungssatz) H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Inhalt Die aerodynamischen Kräfte Der Luftwiderstand Der Anstellwinkel eines Profils Die Polare eines Flügelprofils Der Auftrieb Der statische Auftrieb Der dynamische Auftrieb Der Angriffspunkt der Widerstands- und der Auftriebskraft Die Druckverteilung an der Tragflächenoberseite Die Reibungskräfte Verschiedene Profilformen Auftriebshilfen Der induzierte Widerstand Auslöser und Wirkung 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Inhalt Einflussfaktoren Flügelgeometrie Form der Flügelenden Schränkung der Flügel Quellenverzeichnis 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die Erde und ihre Atmosphäre Die Erde Umfang und Masse Die Erde hat einen ungefähren Umfang von 40.200 km. Ihre Form ist die einer an den Polen leicht abgeflachten Kugel. Der Erdradius beträgt gerundet 6.400 km Die Längeneinheit in der Fliegerei ist die „nautische Meile“ Die Schwerkraft Das Gravitationsfeld Die Erde besitzt wie jede Masse ein Gravitationsfeld. Sie übt auf jeden Körper eine Gewichtskraft aus. Das Maß der Schwerkraft wird mit der Beschleunigung angegeben, welche durch sie bewirkt wird. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die Erde und ihre Atmosphäre In unseren Breitegraden auf Meereshöhe beträgt diese 9,81 m/s². Diese Beschleunigung erfährt ein sich im freien Fall befindlicher Körper. Theoretisch würde seine Geschwindigkeit pro Sekunde um ca. 35 km/h zunehmen. Der wachsende Luftwiderstand bewirkt nach einer gewissen Zeit eine sich konstant einstellende Geschwindigkeit. Die Atmosphäre Beschaffenheit und typische Merkmale Die tatsächlichen Werte hängen stark von der Temperatur und der Höhe ab. Die ICAO hat für die Luftfahrt eine allgemein gültige Normatmosphäre definiert. Die Verwendung einer solchen ist notwendig, um Leistungsdaten von Fluggeräten und Triebwerken zu berechnen. Außerdem dient sie zum Kalibrieren von Druckmessgeräten wie Höhen- und Fahrtmesser. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die Erde und ihre Atmosphäre •1013,25 hPa ist der Druck auf Meeresniveau bei 15 °C auf 40° nördlicher Breite •0,65 °C Temperaturabnahme pro 100 m Höhe •Gültig nur bis zur Tropopause (~ 11.000 m) 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Strömung und Geschwindigkeit Das 3. Newton‘sche Gesetz (Actio est Reactio), Reaktionsprinzip „Kräfte treten immer paarweise auf. Übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus (actio), so wirkt eine gleich große, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A (reactio).“ Wasserschieffekt Der Wasserschifahrer geht nicht unter, weil das Wasser unter den Schiern nach unten gedrückt wird und deswegen die Gegenkraft das Untergehen des Fahrers verhindert. Voraussetzung ist, dass der Widerstand des Wassers durch das ziehende Boot ausgeglichen wird. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Strömung und Geschwindigkeit Die Messung der Geschwindigkeit Gemessene (=angezeigte) Geschwindigkeit: IAS (indicated Air Speed) Messung ist fehlerbehaftet (Anströmrichtung, Luftdichte, Instrumentenfehler) Korrektur führt zur wahren Geschwindigkeit TAS (True Air Speed) Die Messung der Geschwindigkeit ist eine Differenzdruckmessung. Gemessen wird 1.) der Gesamtdruck. Von diesem wird 2.) der statische Druck abgezogen. Der verbleibende Druck ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Flugzeuges gegenüber der Umgebungsluft. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Strömung und Geschwindigkeit Das Bernoullische Gesetz P=p+q P= Gesamtdruck p= statischer Druck q= dynamischer (=Stau-) Duck q=r/2*v2 r= Luftdichte v= Geschwindigkeit gegenüber der umgebenden Luft Es gibt einen verkehrt proportionalen Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Druck in Strömungen (Energieerhaltung in Strömungen). Gebiete mit rasch strömenden Medien weisen niedrige Drücke auf gegenüber solchen mit langsam strömenden (gilt vereinfacht für inkompressible Medien im Unterschallbereich!). 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Strömung und Geschwindigkeit Die Strömungen am Profil (Impulserhaltungssatz) • Die Strömung an der Flügeloberseite ist wesentlich schneller als an der Unterseite • Entgegen der allgemeinen Lehrmeinung treffen sich Ober- und Unterströmung am Flügelende nicht mehr • Es bilden sich Anfahrwirbel, die die Umströmung des Flügels unterstützen (Impulserhaltungssatz) 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Strömung und Geschwindigkeit Die Strömungen am Profil (Impulserhaltungssatz) • Die hohe Strömungsgeschwindigkeit an der Oberseite bedingt einen geringen statischen Druck und verursacht einen Sog. • Die verlangsamte Strömung an der Unterseite bedingt einen hohen statischen Druck. • Der Wasserschieffekt an der Unterseite liefert ebenfalls eine vertikale Kraftkomponente nach oben. • Die Summe dieser Kräfte lässt ein Flugzeug fliegen 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Der Luftwiderstand • Der Luftwiderstand errechnet sich aus dem Produkt des Luftwiderstandsbeiwertes cw, der Spantfläche des Körpers und dem Staudruck (=dynamischer Druck). • Wesentliche Einflussfaktoren sind darin die Form und Größe des Körpers, der Dichte des umströmten Mediums und der Geschwindigkeit. Typische cw Werte verschiedener Formen 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Der Anstellwinkel eines Profils Die wichtigsten Begriffe zur Beschreibung einer Tragfläche • In der Luftfahrt ist der Anstellwinkel (englisch: angle of attack, AOA) der Winkel zwischen der Richtung der anströmenden Luft und der Profilsehne einer Tragfläche. Er beeinflusst ganz wesentlich die Größe des Auftriebes und des Widerstandes 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Die Polare (Polardiagramm) eines Flügelprofiles Dieses zeigt den Zusammenhang zwischen dem Luftwiderstandbeiwert, dem Auftriebsbeiwert und dem Anstellwinkel. • Vom Anstellwinkel 0° ausgehend steigt mit steigendem Winkel vorerst der Auftrieb deutlich stärker als der Widerstand. • Nach dem Erreichen eines Maximums steigt der Widerstand weiter bei sinkendem Auftrieb. • Der kritische Anstellwinkel aKrit bezeichnet den Punkt des Strömungsabrisses. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Der Auftrieb Der statische Auftrieb Dieser ist für Flugzeuge vernachlässigbar, jedoch nicht für Luftschiffe, Ballone, Boote usw. Der dynamische Auftrieb Dieser entsteht, wenn eine geeignete Fläche mit einer Geschwindigkeit durch ein Medium bewegt wird. • Die Auftriebskraft errechnet sich aus dem Produkt des Auftriebsbeiwertes ca, der Flügelfläche des Körpers und dem Staudruck (=dynamischer Druck). 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Der Angriffspunkt der Widerstands- und der Auftriebskraft • Beide Kräfte greifen im aerodynamischen Zentrum oder dem Druckpunkt an. • Vektoriell gesehen spannen beide Kräfte ein Parallelogramm auf. • Die Diagonale stellt die resultierende Kraft aus beiden Einzelkräften dar. Beim antriebslosen Segelflugzeug wirkt die Gewichtskraft entgegengesetzt zur Resultierenden (G‘). Diese kann in eine Kraft entgegengesetzt der Auftriebskraft (A‘) und in eine Kraft entgegengesetzt dem Widerstand (Z) zerlegt werde. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Die Druckverteilung an der Tragflächenoberseite • Sog an der Flügeloberfläche und Druck an der Unterseite ändern sich in Größe und Lage in Abhängigkeit von Anstellwinkel 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Die Reibungskräfte • Laminare Strömung: Strömungsgeschwindigkeit Oberfläche ~ 0! an der Nachteil: Laminare Strömung löst sich sehr gerne ab (Ablöseblase) Vorteil: Es tritt nur geringe Reibung auf. • Turbulente Strömung: Strömungsgeschwindigkeit Flügeloberfläche hoch! an der Nachteil: Starke Reibung tritt auf. Vorteil: Die turbulente Strömung folgt besser gewölbten Oberflächen 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Die Reibungskräfte Adhäsionskräfte versuchen die Luftmoleküle an der Flügeloberfläche festzukleben. Am vorderen Teil des Flügels liegt die Strömung an (laminarer Teil). Abhängig von der Profilform, vom Anstellwinkel und der Fluggeschwindigkeit schlägt die Strömung in eine turbulente Strömung um. Weiter steigender Anstellwinkel führt zur Ablösung der Strömung und zum Zusammenbruch des Auftriebes. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Verschiedene Profilformen Je nach Einsatzzweck kommen verschiedene Profile zum Einsatz: • Langsame Profile zeichnen sich meistens durch eine Unterwölbung aus. • Profile für Kunstflugflugzeuge sind meistens symmetrisch wegen der notwendigen Rückenflugtauglichkeit. • Profile mit S-Schlag kommen bei Nurflügelflugzeugen zur Anwendung. Nasenklappen und Wölbklappen ändern die Profilform um den nutzbaren Geschwindigkeitsbereich zu erweitern. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Auftriebshilfen Mit Hilfe von Klappen (Slats und Flaps) werden folgende Dinge erreicht: • Die Profilwölbung wird verstärkt (Auftriebsbeiwert für niedrige Geschwindigkeiten erhöht) • Flügelfläche wird lastung ist geringer) Bei Segelflugzeugen klappen zum Einsatz. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz vergrößert kommen (Flächenbekeine Nasen- Die aerodynamischen Kräfte Der induzierte Widerstand Auslöser und Wirkung Über- und Unterdruck an der Tragfläche führen zu Ausgleichströmungen an den Flügelenden. Die Energie in den gebildeten Wirbeln geht verloren. Konstruktive Maßnahmen können diesen Effekt mindern. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Einflussfaktoren • Flügelgrundriss Die ideale Flügelform wäre der unendlich lange Flügel, weil hier kein Druckausgleich stattfinden müsste. Auch statische Gründe verhindern sehr große Spannweiten. Segelflugzeuge haben heute Streckungen > 50, Motorflugzeuge zwischen 8 und 12. Ziel ist in jedem Fall eine elliptische Auftriebsverteilung zu erreichen. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Einflussfaktoren • Form der Flügelenden Verschiedene aerodynamische Maßnahmen versuchen die in den Randwirbel steckende Energie zu reduzieren. Winglets erzeugen aus einem großen Randwirbel mehrere kleinere Wirbel. Die Summe der in den Wirbel steckende Energie ist bei kleineren Wirbel insgesamt auch kleiner. 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Einflussfaktoren • Schränkung der Flügel Geometrische Schränkung aerodynamische Schränkung Beide Schränkungsarten bezwecken eine zu den Flügelenden hin verringerte Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite. • Geometrische Schränkung weist am Flügelende einen kleineren Anstellwinkel als an der Wurzel auf. • Aerodynamische Schränkung wird durch den Einsatz von mehr symmetrischen Profilen an den Flügelenden erreicht. Weiterer positiver Effekt bei geschränkten Flügel: Im überzogenen Flugzustand reißt an der Flügelwurzel die Strömung früher als an den Flügelenden ab. Flugzeug bleibt länger steuerbar! 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Die aerodynamischen Kräfte Einflussfaktoren • Schränkung der Flügel Geometrische Schränkung 07.01.2012 Aerodynamische Schränkung H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz Quellenverzeichnis Quellen • • • • Wikipedia Segelflugtheorie – Grundlagen des Fluges, Eric Lindemann DLR – Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Die Weiten des www….. DANKE für Eure Aufmerksamkeit 07.01.2012 H. Habersatter/ASKÖ Flugsportclub Weiz
