laminare und turbulente Grenzschicht

[Sebastian]

Hallo zusammen,

ich habe ein kleines Verständnisproblem bei der laminaren und turbulenten Grenzschicht.

Wäre nett, wenn ihr etwas Lichts in Dunkle bringen würdet :005:

Man versucht ja die Grenzschicht so lange, wie möglich laminar zu halten...aaaber wieso eigentlich ?

Eine turbulente Grenzschicht hat doch mehr Energie (wegen Geschwindigkeitsanstieg in Wandnähe) und dadurch erreiche ich einen größeren Anstellwinkel, als in der laminaren und die Ablösegefahr wird geringer. Also wäre es doch eigentlich besser, die Grenzschicht ständig turbulent zu halten oder welchen Nachteil gegenüber der laminaren hat diese genau ?

Es gibt ja auch extra Vortex Generator, damit der Grenzschicht Energie hinzu gefügt wird.

Seht ihr meinen Denkfehler ? :)

[G115B]

Hallo Sebastian

 

Ich bin mir nicht sicher ob die Strömung nun an der Grenzschicht ablöst oder ob die Grenzschicht selber turbelant/laminar werden kann.

 

Es stimmt, dass durch die erhöhte Geschwindikeit der Strömung ein Auftrieb entsteht. Der Zustand des Luftdrucks und der Dichte sind vor dem Flügel und hinter dem Flügel jeweils wieder gleich. Da der Flügel asymetrisch im Profil ist brauchen die Luftteilchen die oben am Flügel überströmen mehr Geschwindigkeit da der Weg durch das nach oben gewölbte Profil länger ist. Durch das "Dehnen" der Dichte oben entsteht ein Unterdruck, die Beschleunigung der Luftmasse ist eine Folge davon, da sie gerne den ursprünglichen Luftdruck herstellen möchte. Als Folge zieht es den Flügel in diesen von ihm selbst erzeugten Unterdruck hinein... Er schaufelt sich selbst hoch.

 

 

Nun, wenn die Luft turbulent am Flügel wird - turbulent heisst; durcheinander in der Strömung durch zu hohe Strömungswinkeländerung bei zu geringer Strömungsgeschwindigkeit am Flügel - schaft es die Luftströmung sozusagen diesen Unterdruck wieder auszugleichen bevor sie am Flügel vorbei ist... sie kehrt um und gleicht den Unterdruck aus. Charakterisch ist, das die turbulente Luft meist am Ablösepunkt und von der Austrittskante partiell beginnt turbulent zu werden. Der Punkt liegt nicht an der Energie, sondern darin, dass die Energiedifferenz erst nach dem Flügel wieder ausgeglichen werden darf. Die Ursprüngliche Energie kommt vom Antrieb die nur temporär als Gast im Element Luft zu besuch ist. Die Luft ist vor und nach dem Durchflug eines Flügels wieder annähernd in gleichem Zustand.

 

Die Frage ist nicht welche Luftbewegung mehr Energie dem Flügel bringt, sondern welche Art der Luftbewegung günstiger ist dem Flügel Energie abzunehmen und wieder zurückzugeben.

 

Turbulente Luft ist bockig und will das Spiel des Flügels nicht mitmachen - sozusagen.

 

Ich hoff ich konnte helfen.

 

Gruss Roy

[Hans Tobolla]

Ich vermute, dass das Bild nicht das Umschlagen von einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung zeigt, sondern die Strömung bei einem totalen Strömungsabriss durch einen zu hohen Anstellwinkel. Ich sehe auf dem Bild keinen Abwind (Downwash), eher das Gegenteil, denn von der Tragflächenunterseite bewegt sich der Luftstrom wieder nach oben. Der Abwind ist aber erforderlich für einen Auftrieb.

 

Gruß!

 

Hans

[G115B]

Eine turbulente Grenzschicht hat doch mehr Energie (wegen Geschwindigkeitsanstieg in Wandnähe) und dadurch erreiche ich einen größeren Anstellwinkel

 

Ich sehe nicht den Zusammenhang zwischen erhöht möglichen Anstellwinkel und turbulenter Grenzschicht.

 

@Hans, Ich wollte ja einen totalen Strömungsabris zeigen.

 

Hier gibts eine Erklärung über die Grenzschicht. Ist sie Turbulent erzeugt sie mehr Widerstand: Sie hat mehr Energie - ungeordnet - welche sich gegen die geordnete Strömung stellt (laminare)... als Widerstand.

 

http://www.thuro.at/aerodynamik2.htm#Die Grenzschicht

 

Trifft wohl die Frage genauer. :009:

 

Aber wieso dies den Antellwinkel erhöhen soll kann ich nicht nachvollziehen.

 

EDIT

 

Wann dann scho ein erhöhter Anstellwinkel möglich sein soll, sollte die Grenzschicht so lange laminar sein wie möglich. Nicht?

[Hans Tobolla]

Hallo zusammen,

ich habe ein kleines Verständnisproblem bei der laminaren und turbulenten Grenzschicht.

Wäre nett, wenn ihr etwas Lichts in Dunkle bringen würdet :005:

Man versucht ja die Grenzschicht so lange, wie möglich laminar zu halten, aber wieso eigentlich?)

 

In einer turbulenten Grenzschicht steckt mehr Energie als in einer laminaren. Dieses Mehr an Ernergie muss während des Fluges gedeckt werden, entweder durch mehr Schub oder beim Segelflugzeug durch eine höhere Sinkgeschwindigkeit. Deshalb versucht man solange wie möglich die Grenzschicht laminar zu halten. Das geht etwa bis zur dicksten Stelle des Profils, denn ab dort muss die Strömung gegen einen höheren Druck anackern,und das kann eine turbulente Strömung wegen ihres höheren Energieinhalts besser als eine laminare, und sie folgt auch Richtungsänderungen besser, z.B. bei ausgefahrenen Klappen.

Es geht darum, ein vorzeitiges Ablösen der Strömung von der Flügeloberseite zu verhindern, denn dadurch entstehen Wirbel, die den Widerstand erhöhen.

 

Gruß!

 

Hans

[G115B]

?

 

@Hans, also dann erzeugt eine turbulente Grenzschicht mehr Widerstand aber folgt dem Profil besser? Versteh ich das richtig?

[matt_ch]

Eine turbulente Grenzschicht hat doch mehr Energie

 

In erster Linie ist es das Triebwerk das die Energie bereitstellt. Und grundsätzlich ist es sinnvoller diese in Vortrieb (Überwindung Luftwiderstand) und Auftrieb umzusetzen. Wirbel erhitzen lediglich die Luft und tragen weder zum Auf- noch zum Vortrieb bei - also macht es keinen Sinn dafür Energie aufzuwenden.

Eine Ausnahme scheint der "Vortex Generator" zu sein, der die Effizienz minimal verschlechtert, dafür die Langsamflugeigenschaften verbessert. Wenn man die Luft leicht und definiert "vorverwirbelt" scheint dies den Strömungsabriss hinauszuzögern. Weiss aber auch erst seit 10min dass man sowas macht..

[Brufi]

Die Motivation, die Grenzschicht möglichst lange laminar zu halten kommt vom Luftwiderstand. Die Reibungsverluste bilden im Bereich kleiner Anstellwinkel, d.h. im Schnellflug / Reiseflug einen nicht unerheblichen Anteil des schädlichen Widerstandes. Die Verluste in einer laminaren Grenzschicht sind wesentlich geringer als in einer turbulenten Grenzschicht und ergo hat ein Flügelprofil bei welchem die Grenzschicht länger laminar bleibt weniger Luftwiderstand. Aus dieser Erkenntnis heraus wurden in den 30er Jahren die ersten erfolgreichen Laminarprofile entwickelt. Man erkannte, dass durch eine Profilform, welche eine allmähliche, stetige Beschleunigung der Strömung über eine längere Strecke ergibt, die Grenzschicht länger laminar gehalten werden kann. Profile mit dieser Eigenschaft haben ihre maximale Dicke gegenüber herkömmlichen Profile weit hinten, ca bei 50% der Profiltiefe.

Eines der ersten Flugzeuge welches mit einem Laminarprofil versehen wurde war die North American P-51 Mustang.

Auch viele GA Flugzeuge weisen heutzutage ein Laminarprofil auf, z.B. Piper Cadet/Warrior/ArcherII und III/Arrow III und IV. Was ein Laminarprofil dort zusammen mit den vielen vorstehenden Nietköpfen bringen soll ist mir zwar nicht ganz klar, aber die Flügel dieser Flugzeuge weisen jedenfalls solche Profile auf.

Praktisch alle modernen Segelflugzeuge haben Laminarprofile. Nur so lassen sich die heutigen grossen Gleitzahlen erreichen.

 

Gruss

 

Philipp

 

PS:

Dieses Bild hier zeigt ein herkömmliches Tragflügelprofil mit praktisch vollständiger Strömungsablösung, d.h. im stall. Mit Grenzschichtumschlag von laminar auf turbulent hat das absolut rein gar nix zu tun.

[Sebastian]

Hallo und danke für eure Antworten!!

 

Philipp: Soweit habe ich das verstanden und kann es nachvollziehen.

Aber durch diese Vortex Generator z.B. wird die turbulente Grenzschicht ja bei hohem Anstellwinkel angeregt und da die turbulente Grenzschicht mehr Energie hat, kann ich einen größeren Anstellwinkel einnehmen, OHNE, dass es zu einer Ablösung kommt. Ist das richtig so ?

Oder anders ausgedrückt, wenn es zum Umschlagpunkt kommt, möchte man mit den Vortex Generator noch so lang wie möglich die Turbulenz in der Grenzschicht anregen, damit die Ablösung hinaus gezögert wird.

Werden diese Art Vortex Generator auch bei Airliners angewendet ?

[G115B]

Tolle Antworten Danke! Dachte der Sebastian drücke sich etwas komisch aus bezüglich Stall :D Naja, ich hab keine weiteren Fragen, das was ich wissen muss scheint hier beantwortet zu sein.

 

Noch zwei Fächer und ich bin Prüfungsreif. Grundlagen des Fluges und Navigation :009:

[Sebastian]

ANAV ?

Meridiankonvergenz, Winddreiecke, TH+DA=TT,...,schöne V/W, TAS, GS, CWC, LWC, usw. Aufgaben ? :005:

Bin ich auch grad dran...

[Brufi]

Vortex Generators haben nix mit Verhinderung des Grenzschichtumschlags zu tun.

 

Vortex Generators benützt man, um die Strömungsablösung zu verhinden bzw. weiter hinauszuschieben.

Im Langsamflug geht es darum zu grösseren Anstellwinken und damit grösserem Maximalauftrieb zu kommen, sprich die Stallspeed abzusenken.

 

Strömungsablösung ist IMMER ein Grenzschichtproblem. Wie weiter oben schon richtig erwähnt, kann die Grenzschicht nur begrenzt gegen den ansteigenden statischen Druck im hinteren Bereich des Profils ankommen (adverser Druckgradient), weil ihr schlicht die kinetische Energie dazu fehlt. Dies gilt besonder für den unteren, wandnahen Teil der Grenzschicht. Der in strömungsrichtung ansteigende statische Druck bewirkt eine zunehmende Abbremsung des wandnahen Bereichs der Grenzschicht und die Limite zur Ablösung ist dann erreicht, wenn die Grenzschichtströmung zum Stillstand kommt und in der Folge umkehrt. Passiert dies, dann schiebt sie sich unter die ankommende Strömung und diese löst von der Wandoberfläche ab.

 

Vortex Generatoren erzeugen, wie es der Name sagt, kleine Längswirbel auf der Flügeloberfläche. Diese führen einerseits durch Drehung "frisches" energiereiches Material in die Grenzschicht. Mit Energie ist hier kinetische Energie gemeint, also Fluidteile mit hoher Geschwindigkeit. Andererseits wird das abgebremste Grenzschichtmaterial nach oben gedreht und dadurch in die freie Strömung transportiert und weggeführt. Auf diese Weise kann das oben beschriebene Problem bekämpft werden und eine Ablösung verhindert bzw. zu grösseren adversen Druckgradienten (sprich mehr Anstellwinkel, mehr Maximalauftrieb) hin verschoben werden. Dies bewirkt eine geringere Stallspeed.

 

Es gibt Flugzeuge, welche an gewissen Stellen mit Vortexgeneratoren ausgerüstet sind, z.B. an gewissen Abschnitten des Tragflügels oder im Bereich der Querruder, auf der Unterseite des Höhensteuers etc. und es gibt auch Umrüstsätze für bestehende Flugzeugmodelle, wo Vortex Generatoren am Tragflügel angebracht werden um z.B. die Kurzstarteigenschaften zu verbessern. Ein Beispiel: VGs auf dem Flügel von HB-OPH, der Piper Super Cub von Hans. Bei der Gletscherfliegerei bringt das einen Verbesserung der T/O Performance.

 

Allerdings gratis ist das alles nicht, die Wirbelerzeugung verbraucht Energie und somit steigt der Luftwiderstand an.

 

Gruss

 

Philipp

 

Nachtrag: Airliners

Ein anderes Phänomen tritt bei transsonischer Strömung auf, also im Speedbereich wo typischerweise Jets und Turboprops fliegen. Transsonisch heisst, die Strömungsgeschwindigkeit erreicht örtlich teilweise Überschallgeschwindigkeit. Die Rückkehr in den Unterschall geschieht dabei schlagartig, in einer sogenannten Schockwelle. In der Schockwelle sinkt die Machzahl schlagartig von Überschall, also z.B. von Ma 1.2, auf Unterschall z.B. Ma 0.83. Dabei erhöht sich der statische Druck ebenso sprungartig.

Der sprungartige Druckanstieg kann (muss nicht, aber kann) für die Grenzschicht zuviel sein, d.h. sie löst am Schock ab, genau gleich wie oben für den Langsamflug beschrieben. Man redet bei diesem Phänomen von eine Schockstall. Das hat verschiedene Folgen auf die ich hier nicht weiter eingehen will.

Ein Gegenmittel gegen diese Art von Ablösung sind auch hier Vortex Generators. Sie schaufeln energiereiches Material in die Grenzschicht und können somit die Strömungsablösung verhindern oder zu höheren Machzahlen hinausschieben. Solche Vortex Generators findet man häufig auf Flügeln und Leitwerksflächen von Jets. Sie haben nichts mit den Langsamflugeigenschaften zu tun.

[fm70]

Als Ergänzung und ohne auf die physikalischen Zusammenhänge tiefer einzugehen:

 

Turbulenz ist ein anderes Wort für Wirbel, und Wirbel verbrauchen Energie. Deshalb haben Laminarprofile einen geringeren Widerstand.

 

Bei allen real existierenden Laminarprofilen löst sich die Grenzschicht irgendwann vom Profil. Das erzeugt einen sehr grossen Widerstand. Deshalb werden Turbulatoren montiert, die die laminare Grenzschicht gezielt in eine turbulente umwandeln, bevor sie sich ablösen kann. Das erhöht den Widerstand zwar auch, aber weniger stark als eine Ablösung.

 

Die besten Laminarprofile findest Du bei modernen Segelflugzeugen. Die haben alle irgendwo im hinteren Drittel des Profils Turbulatoren montiert, meist in Form eines Zackenbandes. Alternativ kann man die Grenzschicht auch ausblasen. Das bringt theoretisch die besseren Resultate und mindestens ein Segelflugzeughersteller macht das auch, es ist in der Praxis aber nicht ganz problemlos.

 

Laminarprofile sind aber sehr empfindlich auf Verschmutzung (dazu gehört auch Regen). Deshalb werden Segelflugzeuge vor dem Start auf Hochglanz poliert, deshalb montieren leistungsbewusste Segelflieger Mückenputzer, und deshalb haben Segelflugrechner eine Mücken-Funktion, wo der Pilot den Verschmutzungsgrad eingeben kann, den der Rechner dann bei der Berechnung des Gleitwinkels berücksichtigt. Dazu kommt, dass frühe Laminarprofile oft auch eine akzentuiertes Abreissverhalten hatten. Deshalb wurden manche Motorflugzeuge gezielt nicht mit Laminarprofilen ausgerüstet. In den letzten Jahren ist intensiv daran gearbeitet worden, diese Nachteile zu vermindern.

 

Wenn ich höre, dass die genieteten, verbeulten und rauhen Piper-Profile laminar sein sollen, kann ich nur in ein homerisches Gelächter ausbrechen.

[G.George]

Vortex Generatoren erzeugen, wie es der Name sagt, kleine Längswirbel auf der Flügeloberfläche. Diese führen einerseits durch Drehung "frisches" energiereiches Material in die Grenzschicht. Mit Energie ist hier kinetische Energie gemeint, also Fluidteile mit hoher Geschwindigkeit. Andererseits wird das abgebremste Grenzschichtmaterial nach oben gedreht und dadurch in die freie Strömung transportiert und weggeführt. Auf diese Weise kann das oben beschriebene Problem bekämpft werden und eine Ablösung verhindert bzw. zu grösseren adversen Druckgradienten (sprich mehr Anstellwinkel, mehr Maximalauftrieb) hin verschoben werden. Dies bewirkt eine geringere Stallspeed.

 

Hallo!

Ich finde das hier auch sehr interessant und hätte einige grundsätzliche Fragen:

Gehe ich richtig in der Annahme, dass Strömungsabriss für sich gesehen nicht schädlich ist, sondern durch einen praktisch maximierten Unterdruck auf der Profiloberseite den Auftrieb auch eher maximiert ?

 

Das Problem dürften eher die entstehenden Wirbel sein...

Hier frage ich mich, warum die großen bei einem Strömungsabriss entstehenden Wirbel "energie-konsumierender" sein sollen, als die Summe künstlich durch Vortex Generatoren erzeugter kleinerer Wirbel.

Bei kleineren Wirbel möchte man doch annehmen, dass diese erst recht dissipieren und damit als Wärmeenergie verloren gehen.

 

Viele Grüße,

George

[fm70]

Hier frage ich mich, warum die großen bei einem Strömungsabriss entstehenden Wirbel "energie-konsumierender" sein sollen, als die Summe künstlich durch Vortex Generatoren erzeugter kleinerer Wirbel.

Es gibt Dinge, die kann man nicht mehr anschaulich oder intuitiv erklären, sondern die muss man einfach rechnen. Deine Frage gehört dazu.

[G.George]

:( @fm70, deine Aussage ehrt mich ja, aber einfach rechnen, wie soll das gehen ?

Wenn dann hätte ich mir das höchstens versucht über eines der komischen Turbolenzmodelle abhängig von der Wirbelgröße (ich glaub die geht ja da irgendwie mit ein, Stichwort 'Kolmogorov') zu erklären. Turbolenzmodelle hatte ich mal in einer Vorlesung, aber eben nur Theorie. Vermutlich haben hier eventuell anwesende "Praktiker" (Piloten, Bastler, praktische Anwender...), hier ein einfach wesentlich besseres Vorstellungsvermögen oder auch Kenntnisse/Erfahrung.

[fm70]

deine Aussage ehrt mich ja, aber einfach rechnen, wie soll das gehen ?

Wo habe ich etwas von "einfach" gesagt?

[G.George]

Es gibt Dinge, die kann man nicht mehr anschaulich oder intuitiv erklären, sondern die muss man einfach rechnen. Deine Frage gehört dazu.

 

Sorry dass das "einfach" jetzt im Sinne von "leicht" rüberkam. :009:

[Volume]

Ein anderes Phänomen tritt bei transsonischer Strömung auf, also im Speedbereich wo typischerweise Jets und Turboprops fliegen. Transsonisch heisst, die Strömungsgeschwindigkeit erreicht örtlich teilweise Überschallgeschwindigkeit.

Etwas OT, aber manchmal kann man den Umschlag von Über- in Unterschallströmung sehen, nämlich wenn die Sonne genau im richtigen Winkel durch den Luftdichtesprung scheint, und einen Schatten wirft.

 

Bei einer 747-400

 

Bei einem Beechjet 400

 

 

Zurück zum eigentlichen Thema, hier ist sehr viel richtiges gesagt, aber der entscheidende Schluß ist noch nicht gezogen:

Das Geschwindigkeitsprofil der Turbulenten Grenzschicht ist fülliger, sprich die Kuve Geschwindikeit über Grenzschichtdicke steigt schon in Wandnähe sehr schnell an, und erreicht schon bei sagen wir 1/4 Schichtdicke 90% der freien Strömungsgeschwindigkeit. Bei der laminaren Grenschicht wird weniger Energie von der umgebenden Strömung transferiert, die Geschwindigkeit steigt langsamer an und hat bei 1/4 Schichtdicke noch nicht einmal die halbe freie Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Dies hat zwei Effekte:

- In der laminaren Grenzschicht steckt weniger kinetische Energie, sie ist nicht in der lage gegen hohe Druckgradienten anzulaufen und löst früher ab

- Da der Geschwindigkeitsgradient an der Wand geringer ist, ist auch die Scherspannung der Luft (Luft ist im Unterschall eine Newtonsche "Flüssigkeit") geringer, sprich die Reibung (Scherspannung an der Oberfläche) ist geringer.

Der Energietransfer von der freien Strömung in die Grenzschicht geschieht bei der laminaren Grenschicht ausschließlich über Scherspannung zwischen Luftteilchen auf parallelen Bahnen, bei der turbulenten durch Durchmischung (mikroskopische Wirbel). Letztere ist "effektiver" um viel Energie in die Grenzschicht hineinzubekommen, aber natürlich weniger effektiv für den Energieverbrauch des Flugzeugs.

Vortex-Generatoren erzeugen stabile Längswirbel und verbessern damit den Energietransfer in die Grenzschicht, da systematisch energiereiche Teilchen der freien Strömung in die Grenzschicht hineingeleitet werden (und Energiearme wieder heraus).

 

Gruß

Ralf

[Brufi]

Gute Bilder :)

..... und die Ausführungen zum Geschwindigkeitsprofil der turbulenten vs. laminaren Grenzschicht sind selbstverständlich ebenfalls korrekt. Danke für die Ergänzung.

Gruss

Philipp