(6) Widerstand Flashcards
Definition Widerstandskraft
Fundamentale Widerstandskomponenten
- Reibungswiderstand (Profilwiderstand)
- Formwiderstand (Profilwiderstand)
- induzierter Widerstand (auftriebsabhängig)
- Wellenwiderstand
Weitere Widerstandskomponenten
- parasitärer Widerstand
- Interferenzwiderstand
- Trimmwiderstand
- Kühlungswiderstand
Wie beeinflusst der CA - Wert den induzierten Widerstand?
Wenn C(A) groß ist, so ist auch der induzierte Widerstand groß
Widerstandspolare
Widerstandsbeiwert
Definition Grenzschicht
In reibungsbehafteter Strömung wird durch das Haften an der Wand eine dünne Schicht des strömenden Mediums durch die Zähigkeitskräfte abgebremst —> „Grenzschicht“
- Haftbedingung: Fluidgeschwindigkeit an der Wand ist Null
- Außerhalb der Grenzschicht annähernd konstantes Geschwindigkeitsprofil mit vernachlässigbarem Einfluss der Reibungskräfte —> Aufteilen des Strömungsfeldes in 2 Gebiete
Einflussgrößen der Grenzschicht
Der lokale Reibungswiderstand an der Oberfläche einer Flugzeugkomponente hängt vom lokalen Grenzschichtprofil und damit von den folgenden Parametern ab:
- Lauflänge
- Geschwindigkeits-/Druckverteilung
- Störstellen (Oberflächenbeschaffenheit)
Was passiert mit zunehmender Lauflänge bezüglich der Grenzschichttheorie?
- Aufdickung der Grenzschicht
- Ausbildung eines Wendepunktes im Grenzschichtprofil
- Entstehung von Gebieten mit rücklaufender Strömung —> Ablösung der Strömung —> Erhöhung des Reibungswiderstandes
Was charakterisiert die Reynoldszahl?
eine inkompressible, reibungsbehaftete Strömung
Merkmale einer turbulenten Strömung
- ungeordnete Strömung
- dreidimensionale, scheinbar zufällige Bewegung
- Austausch zwischen den Schichten
Merkmale einer laminaren Strömung
- schichtartige Strömung
- keine Vermischungen
- parallel verlaufende Stromlinien
Formel Reynoldszahl
Formel Reibungsbeiwert
Wo ist großes Potential zur Widerstandsreduktion?
Durch Laminarhaltung der Strömung
Abschätzung des Reibungswiderstandes
Wie verläuft der Reibungswiderstand im Vergleich zu C(A)?
Der Teibungswiderstand ist näherungsweise konstant über C(A)
Definition Formwiderstand
- Der Formwiderstand wird durch auf die Oberfläche wirkenden Druckkräfte erzeugt, die durch Einfluss der Zähigkeit entstehen. Da der Formwiderstand auf der Viskosität beruht, ist in reibungsfreier Strömung der Formwiderstand theoretisch gleich Null (praktisch nicht) Bei stumpfen Körpern ist der Formwiderstand wesentlich größer als der Reibungswiderstand, sowie
- bei abgerundeten Körpern anhängig von Re
- bei scharfen Kanten u.U. unabhängig von Re
Warum bewirkt eine Erhöhung von Re einen plötzlichen starken Widerstandsabfall? (Formwiderstand stumpfer Körper)
- Übergang des Grenzschichtzustandes von laminar zu turbulent
- dadurch Verlagerung der Ablösestelle weiter stromab
- daher schmaleres Nachlaufgebiet
- Annäherung der Druckverteilung an reibungslose Strömung
Formwiderstand schlanker Körper
Der Formwiderstandsbeiwert C(WF) wird üblicherweise durch einen empirisch bestimmten Formfaktor FF erfasst, um den der Reibungswiderstand erhöht wird.
Wie verhält sich der Formwiderstand in Abhängigkeit zu CA?
Der Formwiderstand setzt sich aus einer auftriebsabhängigem und einer auftriebsunabhängigen Komponente zusammen
Entstehung des induzierten Widerstandes
- freie Wirbel erzeugen hinter dem Tragflügel eine Abwärtsgeschwindigkeit w(i)
- Verringerung des effektiven Anstellwinkels
- Induzierter Widerstand entspricht der Kraftkomponente parallel zur ungestörten Anströmrichtung
Wellenwiderstand
Verdichtungsstoß
Der Übergang von supersonischer Strömung zu subsonischer Strömung erfolgt über einen Verdichtungsstoß.
- über Stoß erfolgt ein Druckverlust und eine Entropiezunahme
- Unterscheidung zwischen senkrechtem und schrägem Stoß
Senkrechter Stoß:
- Übergang Überschall zu Unterschall
Schräger Stoß:
- Unterscheidung stark <–> schwach
- schwach = hinter Stoß weiterhin Überschall
- stark = hinter Stoß Unterschall
Transsonischer Widerstandsanstieg
Einfluss der Flügelpfeilung und -Dicke
Flächenregel
Der auftriebsunabhängige Anteil C(W,W,0) des Wellenwiderstandes hängt im Transschallbereich nach der sogenannten Flächenregel in erster Näherung nur von der Verteilung der Querschnittsflächen ab: -
- gilt für schlanke Konfigurationen mit kleiner Streckung
- Anwendung der Flächenregel führt zur Einschnürung des Rumpfes im Flügelbereich
- Bei höheren Machzahlen ist die Anwendung einer modifizierten Flächenregel mit um Machwinkel geneigten Flächen möglich
Interferenzwiderstand
Benachbarte Flugzeugkomponenten beeinflussen wechselseitig ihre Druckverteilungen und Grenzschichten. Dadurch entstehen Zusatzwiderstände (Interferenzwiderstände), die zur Summe der isolierten Komponentenwiderstände zu addieren sind
—> Gesamtwiderstand ist höher als die Summe der Einzelwiderstände
Die interferenzbedingten Druck- und Reibungswiderstände entstehen durch:
- erhöhte örtliche Geschwindigkeitsgradienten, die zu einer Aufdickung der Grenzschicht führen
- Druckverluste aufgrund örtlicher Ablösungen in den Interferenzgebieten
Gefährdete Gebiete sind beispielsweise die Übergang zwischen
- Flügel und Rumpf
- Flügel und Pylon
- Pylon und Triebwerk
- Rumpf und Leitwerk
- Höhen- und Seitenleitwerk
Maßnahmen zur Verringerung des Interferenzwiderstandes
- Reduktion der Anzahl an Bauteil-Übergängen
- Formgebung: Einsatz aerodynamisch günstiger Formen und Verkleidungen
Wie werden Interferenzwiderstände ermittelt?
Sie sind schwer zu ermittel. Es werden grobe Schätzwerte verwendet. Faustregegel: Pro Übergang Widerstandserhöhung um 1% für die Summe der Einzelwiderstände
Parasitärer Widerstand
- Zusatzwiderstand durch Oberflächenstörungen in der Kontur -
- entsteht an den verschiedenen Anbauteilen eines Flugzeugs (z.B. Antennen, Nieten, Stufen)
- zunächst unabhängig vom Auftrieb
- durch Abhängigkeit von der Lage der Stromlinien kann sich jedoch teilweise eine Auftriebsabhängigkeit einstellen
- bei hohen Geschwindigkeiten kann der parasitäre Widerstand sehr groß werden (~2% - 3%)
Trimmwiderstand
- Druckpunkt von Flügel und Rumpf liegt nicht im Schwerpunkt—> Moment um Schwerpunkt entsteht
- zusätzliche Momente aus unterschiedlichen Wirkungslinien von Schub und Widerstand
- diese Momente müssen vom Höhenleitwerk bzw. Canardflügel ausgeglichen werden —> Trimmwiderstand
Kühlungswiderstand
Typische Widerstandsaufteilung für ein Verkehrsflugzeug
Wann wir der induzierte Widerstand minimal und welche Formel beschreibt diesen Zusammenhang?
- bei einer elliptischen Auftriebsverteilung
- CWi = CA2/(π*e*A)
- Oswaldfaktor e<=1
- Flügelstreckung A
Vergleich Widerstände BWB - Drachenkonfiguration
