Tragflächen- Luftstrom

Auto, Rad & Mobilität Luft- & Raumfahrt
#1

Moin Leute,
Tante Google brachte mich nicht weiter, darum frage ich als absoluter Flugtechnik- Laie mal hier nach:
Bitte berichtigt mich falls ich falsch liege, aber es ist doch wohl so, daß die Luft an der oberen- stärker gewölbten Seite einer Flugzeugtragfläche einen längeren Weg zurücklegt, als an der unteren, bis sie hinten wieder zusammentrifft. Wie kommt es dann, daß die Luft oben trotzdem schneller fließt, als unten, so daß dadurch der wesentliche Auftrieb entsteht?

Stimmt es, das Flugzeugtragflächen der physikalischen Richtigkeit wegen eigentlich „Saugflächen“ o. ä. heißen müssten, weil sie zu ca. 2/3 vom an der Oberseite entstehenden Luftwirbel (Unterdruck) hochgezogen- und nur vom letzten Drittel des unteren Luftstroms getragen werden und der Begriff „Tragfläche“ sich hauptsächlich durchgesetzt hat, weil er vertrauenswürdiger klingt?

Für leicht verständliche Erklärungen wäre ich Euch sehr dankbar.
Gruß, Zottel

#2

Hallo ZB,

Bitte berichtigt mich falls ich falsch liege, aber es ist doch
wohl so, daß die Luft an der oberen- stärker gewölbten Seite
einer Flugzeugtragfläche einen längeren Weg zurücklegt, als an
der unteren, bis sie hinten wieder zusammentrifft. Wie kommt
es dann, daß die Luft oben trotzdem schneller fließt, als
unten, so daß dadurch der wesentliche Auftrieb entsteht?

Schau mal hier: http://www.rengels.de/misc/flight/index.de.html
Da ist alles ganz gut beschrieben!

Stimmt es, das Flugzeugtragflächen der physikalischen
Richtigkeit wegen eigentlich „Saugflächen“ o. ä. heißen
müssten, weil sie zu ca. 2/3 vom an der Oberseite entstehenden
Luftwirbel (Unterdruck) hochgezogen- und nur vom letzten
Drittel des unteren Luftstroms getragen werden und der Begriff
„Tragfläche“ sich hauptsächlich durchgesetzt hat, weil er
vertrauenswürdiger klingt?

Ja. Tragfläche kann ich aber trotzdem gelten lassen, weil sie eben das Flugzeug trägt.

Gruß,

Nabla

#3

Moin Leute,

Moin

Bitte berichtigt mich falls ich falsch liege, aber es ist doch
wohl so, daß die Luft an der oberen- stärker gewölbten Seite
einer Flugzeugtragfläche einen längeren Weg zurücklegt, als an
der unteren, bis sie hinten wieder zusammentrifft. Wie kommt
es dann, daß die Luft oben trotzdem schneller fließt, als
unten, so daß dadurch der wesentliche Auftrieb entsteht?

Es stimmt, dass die Strecke „obenrum“ länmger ist las die „untenrum“, allerdings ist die übliche weiterführenede Erklärung schlichtweg falsch.
In der Regel wird nun Bernoulli herangezogen um den Auftrieb zu erklären. Bernoulli sagt ganz einfach aus, dass bei einem Geschwinsigkeitszuwachs des Fluids, der Druck sinkt. Wenn man nun Venturi mit ins Boot nimmt, der besagt, dass die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt am größten ist, folgt daraus, dass die Geschwinsigketi des Fluids „obenrum“ erstmal beschleunigt wird und dann wieder verlangsamt, bis es am Ende des Profils wieder die Anfangsgeschwindigkeit erreicht. Warum wird sie beschleunigt? Die Luft die „obenrum“ geht wird auf die Luftschichten über ihr gedrückt, der „Kanal“ wird also enger.
Nun kommt aber das Problem an der ganzen Sache:
Bernoulli und Venturi gelten nur für inkompressible, stationäre und reibungsfreie Strömungen. Reibungsfrei ist in der Realität nichts, lässt sich aber recht einfach mit einem Zusatzterm ausgleichen. Das größte Problem liegt in der Inkrompressibilität des Fluids. Luft kann bis etwa Ma=0,3 als inkrombressibel angesehen werden, im Bereich von 0,3

#4

Hi Hatje,

ich stimme Dir bei den meisten Sachen zu, aber noch ein paar kleine Korrekturen:
Die Kompressibilität der Luft macht zwar manches im Detail sehr kompliziert (s. transsonische Strömung) ändert aber nichts an den Grundprinzipien der Auftriebsentstehung (Masse-, Impuls- und Energieerhaltung).

Vereinfacht kann man auch sagen, damit Bernoulli gilt, müssen
sich 2 Fluidteilchen die sich vor dem Flügel trennen an dessen
Ende wieder zusammentreffen. In der Realität bewebgen sich
aber die Teilchen „obenrum“ viel schneller als die Teilchen
„untenrum“, wodurch sie auch viel früher dort ankommen (bei
Wiki gibts ne Animation dazu).

Die Bernoulligleichung beschreibt nur den Zusammenhang zw. Druck und Geschwindigkeit (in inkompressibler, stationärer und reibungsfreier Strömung). Sie hat nichts mit der falschen „Weglängentheorie“ zu tun!

Jain, der Sog an der Oberseite ist größer es der Druck an der
Unterseite, jedoch ist die Verteilung zum einen Profilabhängig
und zum anderen sind Sog und Druck nicht aussreichend um den
Auftrieb zu erklären.

Doch! Messe den Druck um ein Profil / einen Flügel, integriere ihn auf, zerlege die res. Kraft in die entspr. Komponenten -> fertig sind Auftrieb und Druckwiderstand.
Die 1/3 - 2/3 Geschichte ist auch nur eine grobe Hausnummer. Das kann auch mal 5 zu 1 sein oder nur 1 zu 1, je nach Profil und Anstellwinkel.

Tatsache ist, das bisher niemand so richtig den Grund für den
Auftrieb kennt. Es gibt mehrere Therien, die alle ihre
Daseinsberechtigung haben aber den Auftrieb nicht komplett
erklären können. Die Gasdynamiker arbeiten daran, das Ganze
endlich zu klären (die Flugzeugindustrie würde sich freuen)
bisher muss man aber leider mit hinreichenden Näherungen
auskommen.

Man nehme die Navier-Stokes-Gleichungen (Masse-, Impuls- und Energieerhaltung für(in-)kompressible Fluide). Die sind so genau (für aerodynamische Zwecke) da gibt es keinen „unerklärlichen Rest“. Das Problem ist nur ein mathematisches: finde in akzeptabler Rechenzeit Näherungslösungen, die hinreichend genau sind. Das nennt sich neudeutsch „CFD“. Das zweite Problem ist eine laientaugliche Erklärung, die nicht falsch ist (wie die Weglängentheorie).
Salopp kann man sagen: Ein auftriebserzeugender Flügel lenkt die Luft nach unten ab. Nach dem Impulserhaltungssatz erfährt die Tragfläche eine entsprechende Gegenkraft: den Auftrieb. Dabei entstehen Druckdifferenzen im Strömungsfeld. Diese sorgen einerseits dafür, dass die Luft um den Flügel herum und nach unten abgelenkt wird sowie, dass der Flügel (Druck-)Kräfte erfährt.

Gruß
Krokodi

#5

Hi Hatje,

Hi Krokodi,

Die Bernoulligleichung beschreibt nur den Zusammenhang zw.
Druck und Geschwindigkeit (in inkompressibler, stationärer und
reibungsfreier Strömung).

Ja, ich hab auch nie etwas anderes Geschrieben.

Sie hat nichts mit der falschen
„Weglängentheorie“ zu tun!

Doch, Bernoulli wird stehts rangezogen, wenn es um die Weglängentheorie geht. Und ich hatte ja nur gesagt, dass um Bernoulli anwenden zu können, eine inkompressible, stationäre, reibungsfreie Strömung herrschen muss. Dass man zuerst Venturi anwenden muss, um die unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu erhalten, ist den meisten gar nicht bewusst(zumindest meiner Erfahrung nach). Die akzeptieren einfach, dass längerer Weg schnellere Strömung bedeutet. Deshalb hab ich auch nur von Bernoulli geredet, denn die Voraussetzungen von Venturi und Bernoulli sind die Gleichen und Venturi führt in der Regel zu verwirrung (wie gesagt: meine Erfahrung).

Man nehme die Navier-Stokes-Gleichungen (Masse-, Impuls- und
Energieerhaltung für(in-)kompressible Fluide). Die sind so
genau (für aerodynamische Zwecke) da gibt es keinen
„unerklärlichen Rest“. Das Problem ist nur ein mathematisches:
finde in akzeptabler Rechenzeit Näherungslösungen, die
hinreichend genau sind. Das nennt sich neudeutsch „CFD“.

Da haben wir ja selbst eine Einschränkung eingebaut: Für aerodynamische Zwecke hinreichend genau.
Die meisten (bzw fast alle) Näherungen sind auf die Rechenzeit zurückzuführen. Der Helmholtz-Wirbelsatz ist aber z.B. notwendig um überhaupt eine Lösung zu bekommen.
Btw: Würden die Rechnungen und Lösungsansätze zuverlässig und allgemeingültig funktionieren, bräuchte man nicht soviele experimentelle Überprüfungen.

Das zweite Problem ist eine laientaugliche Erklärung, die nicht
falsch ist (wie die Weglängentheorie).
Salopp kann man sagen: Ein auftriebserzeugender Flügel lenkt
die Luft nach unten ab. Nach dem Impulserhaltungssatz erfährt
die Tragfläche eine entsprechende Gegenkraft: den Auftrieb.
Dabei entstehen Druckdifferenzen im Strömungsfeld. Diese
sorgen einerseits dafür, dass die Luft um den Flügel herum und
nach unten abgelenkt wird sowie, dass der Flügel
(Druck-)Kräfte erfährt.

Sehr Salopp, ich persönlich bin nicht so ganz Glücklich damit. Vmtl. bin ich aber einfach nur zu dem geworden, was ich nie sein wollte: Jemand der komplizierte Dinge nicht einfach darstellen kann; da ich immer das Gefühl hab da fehlt ein wichtiger Punkt den ich noch anfügen muss, womit ich dann am Ende beim Versuch lande, die ganze Problematik leicht verständlich darzustellen und am Ende scheitere. Da muss ich wohl noch lernen „Fünfe gerade sein zu lassen“.

Gruß
Krokodi

Gruß,
Hatje