Der Untersuchung des NACA-Standardprofils NACA0016 hinsichtlich der Transitions- und Separationseigenschaften unter Variation der Anströmrichtung mit potentialtheroretischen Methoden werden generelle Erläuterungen zu laminaren und turbulenten Grenzschichten vorangestellt. Es sollen in dieser Arbeit Methoden bereitgestellt werden, die erste Aussagen über das Stallverhalten von Profilen für Leit- und Steuertragflächen von Seefahrzeugen liefern. Die Methoden werden an einem Standardprofil der vierstelligen NACA-Reihe erprobt und sollen fürderhin geeignet sein, synthetische Profile für Kraft- und Arbeitstragflächen in unterschiedlichen Medien zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die Aussagekraft von Strömungssimulationen mit der Potentialtheorie dort beschränkt ist, wo eine Korrelation der Transitions- und Separationseigenschaften auf einer Tragflächen-Profiloberfläche mit phänomenologischen Stallkriterien, etwa dem "Einbruch" der Quer- oder Auftriebskraft am Tragflügel hergestellt werden soll. Integral- und Mittelwerte stellen aber äußerst hilfreiche erste Informationen bei der Entwicklung synthetischer Profile für Kraft- und Arbeitstragflächen von Leit- und Steuertragflächen von Seefahrzeugen dar.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Intro
Querkraft und Stall
Krümmung der Stromlinien
Impulsänderung
Druckverteilung
Grenzschicht-Kriterien
Umschlagpunkt
Unter- und Überkritische Strömung
Stall
Grenzschichtdicken (boundary layer thickness)
Abgeleitete Grenzschichtdicken δ1 δ2 δ3
Größen und Einheiten zur Dimensionsanalyse
Grenzschichtdickenverfolgung
Querkraft generierendes, symmetrisches Profil und Grenzen der potentialtheoretischen Untersuchungen
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, Methoden zur Untersuchung der Stall-Eigenschaften von Profilkonturen an Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen bereitzustellen, um deren Strömungsverhalten besser zu verstehen und zu kontrollieren. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie potentialtheoretische Ansätze und die Grenzschichttheorie genutzt werden können, um das Stallverhalten symmetrischer Profile (exemplarisch NACA0016) unter Variation der Anströmrichtung und Reynolds-Zahl zu analysieren und leistungsfähigere synthetische Profile zu entwickeln.
- Analyse von Transitions- und Separationseigenschaften symmetrischer Standardprofile
- Untersuchung des Einflusses von Grenzschichtdicken auf das Stall-Verhalten
- Methodenentwicklung für die Strömungskontrolle an Profilkonturen
- Vergleich von potentialtheoretischen Berechnungen mit experimentellen Daten
- Optimierung von Ruderblattgeometrien zur Vermeidung abrupter Querkraftverluste
Auszug aus dem Buch
Querkraft und Stall
Das Tragverhalten einer Leit- oder Steuertragfläche im Betrieb wird durch das Auftriebs- und Widerstandsgebaren charakterisieret in einem Zustandsbereich, der sich von der auftriebslosen zentrierten Anströmung bis zu einer degenerierten Umströmung der Kraft- und Arbeitstragfläche erstreckt.
Kommt es bei einer Tragflächenumströmung zu einem zu einem Ablösen der der konturnahen Strömungsschicht, spricht man von einem Strömungsabriss (engl.: stall). Es kann sich um die Ablösung einer laminaren oder einer turbulenten Strömung handeln. Mit dem Strömungsabriss verändert sich auch (schlagartig) das Auftriebsgebaren der Profilkontur.
Den entscheidenden aber wahrscheinlich nicht einzigen Einfluss auf das Stallverhalten symmetrisch profilierter Kraft- und Arbeitstragflächen nimmt der Anstellwinkel des Profils in der Strömung. Bei den hier betrachteten Leit- und Steuerflächen sind die Relativgeschwindigkeit klein gegenüber der Schallgeschwindigkeit, so dass Inkompressibilität angenommen wird. Somit gilt für inkompressible, stationäre viskositätsfreie Strömung konstanter Dichte in einem Gebiet das keine Wirbel enthält, dass die Summe aus dem Quadrat der Geschwindigkeit und dem Quotient aus Druck und Dichte ist konstant.
Zusammenfassung der Kapitel
Querkraft und Stall: Dieses Kapitel erläutert grundlegende Begriffe des Tragverhaltens von Leit- und Steuerflächen, insbesondere das Auftreten von Strömungsabrissen (Stall) und den Einfluss des Anstellwinkels.
Krümmung der Stromlinien: Es wird dargelegt, wie Geometrie und Anstellwinkel eines Profils das umgebende Fluid beeinflussen und welche physikalischen Zusammenhänge zur Auftriebserzeugung führen.
Impulsänderung: Dieses Kapitel behandelt die notwendige vertikale Impulsänderung bei dreidimensionalen Tragflügeln zur Erzeugung einer dynamischen Querkraft.
Druckverteilung: Hier wird der Zusammenhang zwischen Druck- und Geschwindigkeitsverteilung auf der Profiloberfläche anhand der Bernoulli-Gleichung untersucht.
Grenzschicht-Kriterien: Das Kapitel befasst sich mit der Grenzschichttheorie und dem Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung.
Umschlagpunkt: Es wird die physikalische Problematik des Umschlags laminarer in turbulente Grenzschichten und dessen experimentelle Erfassung diskutiert.
Unter- und Überkritische Strömung: Hier werden die Begriffe unterkritische und überkritische Profilumströmung in Korrelation zur Reynolds-Zahl definiert.
Stall: Dieses Kapitel vertieft die Ursachen für den Strömungsabriss bei kleinen und mittleren Reynolds-Zahlen und diskutiert Designstrategien für gutmütigere Stall-Charakteristiken.
Grenzschichtdicken (boundary layer thickness): Definition und theoretische Herleitung der verschiedenen Grenzschichtdicken zur Charakterisierung der Strömungsverhältnisse.
Abgeleitete Grenzschichtdicken δ1 δ2 δ3: Mathematische Formulierung der Verdrängungs-, Impuls- und Energieverlustdicken.
Größen und Einheiten zur Dimensionsanalyse: Eine Übersicht der physikalischen Parameter, die für die Dimensionsanalyse und Skalierung der Strömungsphänomene relevant sind.
Grenzschichtdickenverfolgung: Zusammenfassung der Möglichkeiten, Stall-Eigenschaften durch die Verfolgung von Grenzschichtdicken messtechnisch oder numerisch zu lokalisieren.
Querkraft generierendes, symmetrisches Profil und Grenzen der potentialtheoretischen Untersuchungen: Dieses Kapitel diskutiert die Grenzen potentialtheoretischer Betrachtungen bei der Vorhersage von Ablösepunkten und Stalleigenschaften.
Schlüsselwörter
Strömungsabriss, Stall, Grenzschichttheorie, NACA0016, Potentialtheorie, Querkraft, Auftriebsbeiwert, Reynolds-Zahl, Laminarströmung, Turbulenz, Transition, Separationspunkt, Profilkontur, Seefahrzeuge, Strömungskontrolle
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die physikalischen Strömungsvorgänge an Profilkonturen von Leit- und Steuerflächen an Seefahrzeugen, um das Phänomen des Strömungsabrisses (Stall) besser zu verstehen und zu kontrollieren.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Zentrale Themen sind die Grenzschichttheorie, die potentialtheoretische Analyse von Profilumströmungen, die Bestimmung von Transitions- und Separationspunkten sowie die Untersuchung des Auftriebs- und Widerstandsverhaltens.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung von Methoden, um erste Aussagen über das Stallverhalten von Profilen für Seefahrzeuge treffen zu können, mit besonderem Fokus auf synthetische Profile.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Es werden potentialtheoretische Ansätze und die Grenzschichttheorie eingesetzt, um das Strömungsverhalten am Beispiel des NACA0016-Profils zu berechnen und zu analysieren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden neben theoretischen Grundlagen die Grenzschichtdicken, Kennzahlen (wie die Strouhal-Zahl) und umfangreiche Messreihen bzw. Simulationsdaten zu Auftriebs- und Widerstandsbeiwerten bei verschiedenen Anstellwinkeln präsentiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Stall, Grenzschichttheorie, NACA0016, Potentialtheorie, Reynolds-Zahl und Strömungskontrolle.
Warum ist die Betrachtung kleiner Reynolds-Zahlen relevant?
Beim Manövrieren von Seefahrzeugen können sehr kleine Anströmgeschwindigkeiten auftreten, was den Bereich niedriger Reynolds-Zahlen für die Praxis bedeutsam macht.
Was ist das Ergebnis bezüglich der potentialtheoretischen Vorhersage?
Die Arbeit zeigt auf, dass die Potentialtheorie dort an Grenzen stößt, wo eine direkte Korrelation zwischen den Grenzschicht-Eigenschaften und phänomenologischen Stallkriterien wie dem plötzlichen Einbruch der Querkraft hergestellt werden soll.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor:in), 2013, Die Stall-Eigenschaften von Profilkonturen für Leit- und Steuerflächen an Seefahrzeugen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/265720
