Erfährt eine fluidmechanisch wirksame Tragflügelfläche eine (plötzliche, rasche) Änderung der Richtung ihrer Anströmung, kommt diese mit einer (scheinbaren) Vergrößerung des Anstellwinkels in einen Bereich (mehr oder weniger) spontaner Strömungsablösung. Der Auftrieb des Tragflügelsystems, bzw. die Querkraft sinkt schlagartig. Dieser Zustand wird als „Stall“ bezeichnet. Vom Tragflügel wird auch als Richtungsänderung der Strömung „empfunden“ wenn sich die Vertikal- und Horizontal-Komponenten des Geschwindigkeitsvektors schnell ändern und damit der Anstellwinkel des Profils des Tragflügels gegenüber der resultierenden (scheinbaren) Anströmung variiert. Stall kann also auftreten, wenn sich eine oder beide Komponenten des Geschwindigkeits-vektors ändern. Herrscht am Querkraft generierenden fluidmechanischen System der Stall-Zustand, bricht die Querkrafterzeugung am Tragflügel zusammen. Nun wird auch die Zirkulation des Randwirbelfadens sehr klein oder geht gegen Null. Die Energie, die im bis dahin generierten Wirbelfeld gespeichert ist, kann beim Zusammenbruch dieses Feldes nicht ohne weiteres verschwinden. Sie wird vielmehr in Bewegungsenergie umgewandelt, die sich als „Selbstinduktionsgeschwindigkeit“ äußert und wird wirksam wird, als Komponente des in der Umgebung des Wirbels induzierten Geschwindigkeit-santeils der Strömung. Es ist also letztendlich der Stallprozess an der Tragfläche, der über den von einem Kollaps der Querkraft getragenen Einbruch der Zirkulation des Wirbelfadens, einen Anteil zu der in der Strömung induzierten Geschwindigkeit beiträgt. Je nach der im Wirbelfeld gespeicherten Arbeit (Wirbelenergie), sollte die vektorielle Geschwindigkeitsänderung auch groß sein. Die aufgrund von „Stall“ induzierte Geschwindigkeitsinduktion ist ein nichtstationärer Vorgang. Der Stall produziert eine lokale „Jetströmung“.
Inhaltsverzeichnis
1. Über „durch Stall induzierte, instationäre Jetströmungen“ (Stall induced instationary Jetstreams (StiJETS))
2. Rotation
3. Die Induktionswirkung eines Wirbelfadenelements
4. Transiente Effekte
5. durch Stall induzierte, instationäre Jetströmung (stall induced instationary Jetstreams, stiJET)
6. Elektrodynamische Analogie
7. Zusammenstellung der das Gesetz von Biot und Savart betreffenden Symbole, Größen und ihre Einheiten in der Elektrotechnik und in der Strömungsmechanik
Zielsetzung und Themenfelder
Die vorliegende Arbeit untersucht die physikalischen Zusammenhänge zwischen Strömungsabrissen an Tragflächen und der daraus resultierenden Entstehung instationärer Jetströmungen, wobei eine Analogie zur elektromagnetischen Induktion gezogen wird.
- Physikalische Ursachen der Strömungsablösung (Stall) an Tragflächen
- Analyse der Wirbelfadenelemente und ihrer Induktionswirkung
- Untersuchung transienter Strömungseffekte und deren zeitlicher Verlauf
- Herleitung einer elektrodynamischen Analogie für das kollabierende Wirbelfeld
- Vergleich der physikalischen Größen von Strömungsmechanik und Elektrotechnik
Auszug aus dem Buch
Die Induktionswirkung eines Wirbelfadenelements
Die Induktionswirkung eines Wirbelfadenelements. Für den nichttransienten Fall wird der Zusammenhang der Geschwindigkeit v in einem Aufpunkt P, also v(xp) des Geschwindigkeitsfeldes mit der Wirbelstärke Ω(xq) in allen Quellpunkten eines Strömungsfeldes, dargestellt in der in der schematischen Skizze xxxx, wird ein Wirbelröhrenelement auf seine Induktionswirkung auf das Strömungsfeld untersucht. Gesucht ist die in der Achse des Ringwirbels induzierte Geschwindigkeit. Das Fluid sei inkompressibel und das Wirbelröhrenelement habe die Länge dx, den Querschnitt dA und das Volumen dV = dA · dx. Die Länge dx und der Querschnitt dA sollen parallel zur Wirbelstärke Ω im Quellpunkt Q der Strömung sein. Ein Ringwirbelfaden habe eine konstante Zirkulation Γ. Auf der Achse des Ringwirbels ist aus Symmetriegründen nur die Z-Komponente der Vektors (vzp, vyP, vzP) der induzierten Geschwindigkeit v ungleich Null. Die von einem Wirbelfadenelement an einem beliebigen Aufpunkt im Strömungsfeld induzierte Geschwindigkeit v ist proportional der Wirbelstärke Ω und dem Volumen des Wirbelfadenelements also die Änderung der induzierten Geschwindigkeit:
dv ~ Ω dV
Die Richtung der induzierten Geschwindigkeit v steht senkrecht auf den Vektoren Ω und r
dv ~ Ω x r
Zusammenfassung der Kapitel
1. Über „durch Stall induzierte, instationäre Jetströmungen“ (Stall induced instationary Jetstreams (StiJETS)): Einführung in die Problematik der Zirkulation an Tragflächen und die physikalische Entstehung von Wirbeln durch den Druckgradienten.
2. Rotation: Erläuterung der Wirbelbildung bei Tragflächen mit Rotationsbewegungen und der induzierten Geschwindigkeitsbeiträge.
3. Die Induktionswirkung eines Wirbelfadenelements: Mathematische Herleitung der Geschwindigkeit, die durch ein Wirbelfadenelement in einem bestimmten Aufpunkt induziert wird.
4. Transiente Effekte: Beschreibung des „Stall“-Zustands und der damit verbundenen plötzlichen Änderung der Anströmbedingungen.
5. durch Stall induzierte, instationäre Jetströmung (stall induced instationary Jetstreams, stiJET): Postulierung des Phänomens der StiJETS als Kern der Arbeit, basierend auf der Freisetzung gespeicherter Wirbelenergie.
6. Elektrodynamische Analogie: Vergleich zwischen dem Zusammenbruch eines Magnetfeldes bei Spulen und der Kollabierung von Wirbelfeldern in der Strömungsmechanik.
7. Zusammenstellung der das Gesetz von Biot und Savart betreffenden Symbole, Größen und ihre Einheiten in der Elektrotechnik und in der Strömungsmechanik: Synoptische Gegenüberstellung der physikalischen Parameter zur Verdeutlichung der Analogie.
Schlüsselwörter
Strömungsmechanik, Zirkulation, Wirbelfaden, Stall, Tragfläche, Induktion, Elektrodynamik, Selbstinduktion, Jetströmung, Wirbelröhre, Biot-Savart-Gesetz, Strömungsabriss, transienter Effekt, Strömungsfeld, Wirbelstärke
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht das physikalische Phänomen, bei dem durch einen Strömungsabriss (Stall) an Tragflächen instationäre Jetströmungen erzeugt werden, und setzt dies in Bezug zur elektrodynamischen Induktion.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf der Wirbelmechanik, dem Verhalten von Tragflächensystemen bei kritischen Anströmwinkeln und der mathematischen Analogiebildung zur Elektrotechnik.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Hypothese zu stützen, dass kollabierende Wirbelfelder analog zu elektromagnetischen Feldern bei Spulen energetische Prozesse auslösen, die als StiJETS bezeichnet werden.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewandt?
Es wird eine theoretische Modellierung vorgenommen, die mathematische Herleitungen der Strömungsgeschwindigkeiten mit elektrotechnischen Gesetzmäßigkeiten (Biot-Savart-Gesetz) verknüpft.
Was bildet den inhaltlichen Kern des Hauptteils?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die physikalische Herleitung der Induktionswirkung von Wirbelfäden und die Übertragung dieser Erkenntnisse auf den instationären Zustand beim Strömungsabriss.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich der Inhalt charakterisieren?
Die Arbeit lässt sich primär über Begriffe wie Strömungsmechanik, Zirkulation, Stall, Induktion und Wirbelfeld definieren.
Wie ist die Analogie zwischen Elektrotechnik und Strömungsmechanik zu verstehen?
Die Arbeit nutzt die Analogie, dass sowohl ein zusammenbrechendes Magnetfeld in einer Spule als auch ein kollabierendes Wirbelfeld einer Tragfläche Energie freisetzen, was zu hohen Induktionsspannungen bzw. Jetströmungen führt.
Welche Bedeutung kommt der Wirbelstärke (Ω) in diesem Modell zu?
Die Wirbelstärke ist die zentrale Variable, die direkt proportional zur induzierten Geschwindigkeitsänderung steht und somit die Intensität der durch den Stall erzeugten Jetströmung bestimmt.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Author), 2013, Durch Stall induzierte, nicht stationäre Jetströmungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/265897
