Über instationäre Wirbelspuleneffekte bei Doppeldeckertragflächen

Rund Hasselwerder: Anmaßungen zum Katzmayr-Effekt


Wissenschaftlicher Aufsatz, 2014
20 Seiten
Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor)

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Leseprobe

Über instationäre Wirbelspuleneffekte bei Doppeldeckertragflächen

Rund Hasselwerder: Anmaßungen zum Katzmayr-Effekt.

Mi. Dienst, Berlin im Herbst 2014.

Prolog. So wie wir beim Spazierengehen unbewusst Reklameschilder lesen und uns dann, manchmal erst Minuten später fragen, warum „Friseur" neuerdings mit „ö" geschrieben wird, oder war es Ingenieur? So oder ähnlich erlebe ich mein ein intuitiven Denken. Das unbewusste Vervollständigen von Information, das unbewusste Herstellen meiner Realität, nein Wirklichkeit, der Wechselwirklichkeit; der physikalischen Modelle, etwa. Mir fällt dabei auf, dass meine Wechselwirklichkeit immer von kahler Natur ist. Ich will nicht sagen „einfach", das wäre dann ja gleichzeitig genial. Nein, eher simpel, mit wenig Physik zufrieden, bescheiden. So kommt es, dass viele Dinge klar und eindeutig scheinen, obwohl sie es natürlicher Weise nicht sind und auch nicht sein können. Mein intuitives Denken bleibt dabei gefangen in den engen Grenzen seiner weit zurückliegenden Entwicklung einerseits, den guten und überwiegend nichtfragwürdigen Gewohnheiten im Alltag andererseits. Dass alles linear bleibt und stationär, ist wohl auch einem mit der Zeit liebgewonnenen, kognitiven Hedonismus geschuldet, so dass die Notwendigkeit der Erklärungssuche gelegentlich bittere Rückschläge fordert. Man bleibt eben ein schüchterner, einfältiger Mensch. Und der scheut die Enttäuschung. Manchmal für lange Zeit. Beispiel: Mich quält seit geraumer Zeit ein (mir) schlecht erklärtes physikalisches Phänomen. Damals, vor über 25 Jahren, gab es in meinem Leben eine Einrichtung die „Theorietag" hieß. Einmal in der Woche durfte OPEN-END gearbeitet werden. Niemand erwartete mich an diesem Abend normalzeitig zu Hause, die kniffeligen Fragen, die sich über die Woche hinweg im regulärem Institutsbetrieb ansammelten, konnten getrost warten und hoffnungsvoll aufgeschoben werden um dann in aller Ruhe bearbeitet zu werden. Gelegentlich ging es nicht nur theoretisch zu, wie man von einem „Theorietag" erwarten möchte, sondern auch sehr praktisch, an unserem Windkanal etwa, auf den man als - wenn auch wissensdurstiger, ansonsten aber - gewöhnlicher, wissenschaftlicher Mitarbeiter unbürokratischen Zugriff hatte; ein in der heutigen Zeit undenkbarer Komfort. Auch hier stauten sich über die Woche kleine notleidende Messkampagnen auf, warteten mit ihren randständigen Erkenntnis­häppchen bis zum Freitagabend auf mich. Die offizielle Forschung betraf die Berliner Windkraftabnlage BERWIAN1, dessen (Stator-) Flügelkranz zur Optimierung anstand. Hier wurden tagsüber zügig die projektierten Messkampagnen abgewickelt und zwar so, wie wir Wissenschaftler es seit je her am liebsten mögen: in stationären Betriebspunkten. Eine stationär arbeitende Wirbelspule und diese bildet ja den Kern des Wechselwirkungs­geschehens in einer Windkraftanlage vom BERWIAN-Typ, ist durchaus kompliziert. An der TU Berlin wurde im Fachgebiet Bionik und Evolutionstechnik von Ingo Rechenberg eine Windenergieanlage entwickelt, die das Prinzip des gespreizten Vogelflügels aufgreift und im Windkanal die Erzeugung einer 2,7fachen Windgeschwindigkeit am eigentlichen Rotor ermöglichte. Damit kann die Leistungsausbeute eines in den konzentrierten und verwirbelten Luftstrom hinter einer Vielzahl zentrisch zusammenlaufender, ringförmig gruppierter, feststehender Flügel eingebrachten kleinen Rotors um den Faktor 8 gesteigert werden. Dieses Ergebnis ist relativ zur Leistungsausbeute im normalen Luftstrom zu sehen, wie sie ohne diese strömungsverstärkende Vorrichtung mit dem Rotor erzielbar wäre. Das bedeutet also, dass nicht die gesamte, um ein Vielfaches größer als der Rotor gestaltete Konstruktion als strömungsverstärkende Vorrichtung insgesamt einen achtfach höheren Wirkungsgrad hat, sondern nur der viel kleinere Rotor, und zwar relativ zur normalen Strömung ohne den Konzentrator. Folglich kann hier dennoch von einem Durchbruch in der Grundlagenforschung ausgegangen werden, auch wenn der Aufwand einer solchen Bauweise nicht rentabel erscheint. Eine so hohe Konzentration der Strömungsenergie durch passive Leitflächen war vorher nicht erreicht worden.2

Schon der stationäre Betrieb ist imposant. Spektakulär jedoch ist der „provozierte Zusammenbruch" einer fluidmechanischen Wirbelspule. Dieser erfolgt nicht etwa durch Ungemach am Messaufbau oder schlampig angeordneter „Erzeugenden-Geometrie", sondern durch, tja wie sollte man es nennen, Überwirkung? Steigt nämlich die Fluidgeschwindigkeit im Kern der Wirbelspule über einen bestimmten „kritischen Wert", je nach Betriebsfall vW!RBELSPULE > 3»v0, bricht das gesamte Wirbelspulensystem in sich zusammen; die Wirbelspule „implodiert" förmlich. Ursache ist (zum Teil) der mit der Geschwindigkeitszunahme enorm abfallende, absolute Gasdruck im Kern der induzierten Strömung (Konti- und Bernoulli-Gleichung!). Der Zusammenbruch begrenzt gleichsam den Optimierungsraum in einer gegebenen Qualitätenlandschaft ausgesuchter Betriebszustände einer Messkampagne. Bedauerlicher Weise interessierten mich damals eher die Zeiten, die die induzierte Strömung zur Wiedergenesung in den stationären Zustand benötigt (man will es eben einfach, linear und stationär haben, siehe oben) als die - aus meiner heutigen Sicht entscheidenden - Frage, wo eigentlich die aufwändig eingekoppelte Energie steckt, wenn ein so wunderbar geordnetes System, wie es eine über Auftriebstragflächen generierte fluidmechanische Wirbelspule darstellt, in einen chaotischen Zustand überwechselt und zusammenbricht. Jetzt wäre ich gerne ein Experte für Feldtheorie vom nichtlinearem Typ. Bin ich aber nicht.

Sprich man mit Fachleuten, winken diese ab: „... zwischen dem magnetischen Feld und dem Strömungsfeld einer realen Strömung gibt es (mindestens) einen wesentlichen Unterschied: Im Bereich ohne induzierende Leiter ist die Rotation von В null, d.h., das magnetische Feld ist außerhalb von Festkörpern wirbelfrei. Wenn Sie aber gerade solche Wirbel im Fluid untersuchen wollen...

Es gibt eine weitere Analogie, nämlich für Potentialströmungen und die Lösung der Laplace- Gleichung. Aber auch hier sind wir wieder im wirbelfreien Bereich.

Ich sehe also nicht die wesentliche Analogie zur Berechnung von Fluidwirbeln, erst recht nicht, wenn es um Strömungsabriss geht, der ist vollständig nichtlinear".

Und man bleibt beratungsrenitent. Einem Nicht-Feldtheoretiker hätte der freundliche Hinweis ausreichend Anlass bieten sollen, von diesem Thema hinreichend großen Abstand zu halten; wie etwa zu einem bösen, unberechenbaren Tier!

Rund Hasselwerder. Im Zusammenhang mit nicht stationären Strömungsszenarien wird gelegentlich der in den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts in Wien postulierte "Katzmayr-Effekt" zitiert, der für eine in seiner Richtung periodisch wechselnden Strömungsbeaufschlagung an Flugzeugtragflächen das Auftauchen "negativer! Widerstände" verspricht. Um über dieses Thema zu diskutieren, habe ich unseren Freund DrH eingeladen. Wir kennen uns seit ewigen Zeiten und sind uns wohlgesonnen; auch wenn es nicht immer so klingen mag. Wir befinden uns an Bord der Segelyacht SÖVIND, die gerade in einer sehr dünnen Briese aus Südwest ihren kleinen Hafen am Tegeler See in Berlin verlässt. HHD steuert ihren Langkieler, so dass DrH und ich mit allerlei Papieren auf den Knien plaudern und den Herbstausflug gestikulierend beginnen.

DrH: In Deiner mail schreibst Du mir, dass Du Dich mal wieder mit „Deinen Wirbelspulen"

beschäftigst. Ich dachte, daran hättest du Dich jetzt reichlich abgearbeitet?

MiD: Nicht an den Nichtstationären; das ist ein Unterschied. Und nicht an Yachtkielen.

DrH: An Yachtkielen? Warum habe ich bei Dir immer das Gefühl, dass wir uns über Sachen

unterhalten, von denen Du nichts verstehst, oder ich nichts verstehe oder in einem ungünstigen, leider häufigen Fall, wir beide nichts verstehen?

MiD: Jemand muss ja darüber sprechen. Außerdem gab es Vorkommnisse. Der Katzmayr. DrH: DerKatzmayr? MeinGott!

HHD: Kein Streit bitte. Mein Schiff. Dein Heterotop, ja? Dein Andersort (lacht). Du musstwissen, er bezeichnet dieses Boot als seinen so genannten „straffreien Raum".

DrH: Beim Thema Katzmayr ist das bestimmt eine gute Idee. Micha, lass ihn ruhen. Der

Katzmayr ist tot. Und den Katzmayr-Effekt wollen wir auch nicht lebendig haben.

MiD: Du selbst hast...

DrH: Ja,doch. Jugendsünden.

MiD: Immerhin weißt Du, worum es geht.

Ein Schwanenpärchen saust im Tiefflug auf uns zu. Kurz vor dem Boot teilt sich ihre Flugbahn; wir hören den Flügelschlag, so still ist es. Inzwischen haben wir die Schiffsanleger passiert und kommen aus der Abdeckung der kleinen Insel Hasselwerder heraus. Wir nehmen eine Bö mit und gewinnen ein wenig Höhe. Genug Fahrt für eine halbwegs elegante Wende. Zwei Väter mit Kinderwagen blinzeln am Ufer in die Nachmittagssonne. Ansonsten ist die Greenwich-Promenade verwaist an diesem wunderschönen Wochentag. Heide nimmt den Fuß von den losen Blättern.

HHD: Dein Wissen ist gerettet. (Schiebt mir die Blätter unter den Sitz. Steuert).

DrH: Wir sind jetzt gerade mal einen Schlag gefahren und schon haben wir einen ganzen

Strauß losere Enden. Ich fasse mal zusammen: Den Katzmayr meinetwegen, die Wirbelspulen, dieTragflächen, die Yachtkiele?,..

MiD: Und den Knoller3.

DrH: Und den Knoller. Wer ist das?

MiD: Das ist der Chef vom Katzmayr. Und da sind wir auch bei den Vorkommnissen.

DrH: Ah, ich glaube, ich habe den Namen schon einmal gehört. Der berüchtigte Wiener

Windkanal. Aber: der Knoller dürfte nicht weniger tot sein als es der Katzmayer ist. Welche aktuellen Vorkommnisse also?

MiD: DerReihe nach.

Richard Knoller studiert an der Technischen Hochschule in Wien und schließt sein Maschinenbaustudium 1893 mit Auszeichnung ab. Er arbeitet in unterschiedlichen Maschinenfabriken auch außerhalb Österreichs und widmet sich dem Automobilbau. Mit L. Goebel gründet er eine Fahrzeugfabrik. Schon während seiner Zeit als Ingenieur beginnt er mit theoretischen Arbeiten und ersten Publikationen. Im Jahr 1899 ist er der offizielle Repräsentant Österreichs beim International commercial congress in Philadelphia. Ein Jahr später erhält er bei der Pariser Weltausstellung für eine Ventilsteuerung die Goldmedaille. Ferner entwickelt er einen Dampfwagen mit einer Vierradbremse, die mit Ausgleichsein­richtung gleichmäßig auf alle Räder wirkt. Seine wissenschaftliche Arbeit beginnt er als Assistent an der TU Wien 1895. Knoller beschäftigt sich mit der zu dieser Zeit auch in Österreich aufkommender Flugzeugtechnik. Es entstehen Schriften über den Strömungs­widerstand und zur Flugstabilität. Ab 1909 ist er außerordentlicher Professor am neu errichteten Lehrstuhl für Luftschifffahrt und Automobilwesen der TU Wien. Er beginnt einen Windkanal nach Göttinger Bauart4 zu bauen aber mit senkrechter Luftführung. Sämtliche Einrichtungen und Geräte des Kanals werden von Knoller selbst entworfen. In den Kriegsjahren arbeitet er als Flugzeugkonstrukteur und kümmert sich zunächst um die Weiterentwicklung deutscher Baumuster. Die Tragflügel der Flugzeuge nach Knollers Bauart sind technisch dem Entwicklungsstand ihrer Zeit weit voraus, denn sie sind so konstruiert, dass sie ohne Querverspannung auskommen, jedoch bekommt die von Knoller umgebaute Albatros B.I.5 keine technische Zulassung, weil man um die mechanische Stabilität der Knoller'schen Konstruktion fürchtet. Nach dem Ersten Weltkrieg musste der Windkanal zerstört werden. 1919 wird Knoller ordentlicher Professor an der TU Wien.

DrH: Du gehörst wirklich zu den ganz wenigen Menschen die ich kenne, die keine Skrupel haben, sogar Fußnoten aus Wikipedia zu zitieren. Das ist uncool.

MiD: Lieben Dank.

DrH: Wo sind denn nun Deine Vorkommnisse?

MiD: Na, in der Fußnote! (guckt übertrieben unschuldig)

HHD: D-D, Doppel-D. (alle singen, machen zweideutige Handbewegungen, lachen)

Inzwischen ist der See zu Ende. Heide fährt so eine Art Kuhwende6 mit ein wenig Hals im Abgang; wir drücken das Großsegel heraus zu einem raumigen Kurs. Rauchpause. Hinter dem Knistern der Uferbäume ist nun das monotone Rauschen des Feierabendverkehrs vernehmbar. Es sind kaum noch Schiffe auf dem See, die Stimmung ist gut. Wir schiften. Direkt vor dem Wind zieht der Zigarettenrauch in grauen, stabilen Fäden mit dem seichten Luftzug stromabwärts um, wie in Zeitlupe, unter dem Segel aus meinem Blickfeld zu verschwinden; das inertiale, Lagrange'sche System. Mein eigener Windkanal.

Nach dem Krieg wendet sich Knoller wieder der Lehrtätigkeit an der TU Wien und der Weiterentwicklung aerodynamischer Theorien zu. Seine bedeutendste Untersuchung ist die theoretische Erklärung des so genannten „negativen Widerstandes" von Tragflächen.

DrH: Negativer Widerstand! Es gibt da eine Formierung von Prandtl...

HHD: Ok, der negative Widerstand. Mein Stichwort. Auf dem Steg vorhin haben wir heimlich ausgemacht, dass ich jetzt frage: Ringelnatz, was'n das für'n Tier? (grinst). MiD: Nein, nicht Ringelnatz, Katzmayr, Katzmayr, Kaaaazmaaayrrr (wienerisch, irgendwie).

Ich hatte das Papier von Prandtl kürzlich in den Händen. Es geht um die tragenden Linien bei Mehrdeckern und um Widerstandsanteile. Katzmayr will das Gegenteil von Widerstand gemessen haben. Würden wir das nicht „Schub" nennen?

DrH: Er bleibt uns nicht erspart, was? (fischt einen Zettel unter seinem Fuß hervor).

Knoller, später auch Betz7 in Göttingen, weisen in ihren Veröffentlichungen darauf hin, dass man sich den scheinbar mühelosen Segelflug der Vögel ohne Aufwind, durch eine permanent wechselnde Anströmrichtung der beaufschlagenden Luft am Flügel erklären könne [W-l][Bet-12][Knol-09][Knol-13]. Die theoretischen Arbeiten zum "negativen Wider­stand" liegen schon ein paar Jahre zurück, als Knoller 1913 in Wien den Windkanal in Betrieb nimmt, der im Gegensatz zu den waagerecht angeordneten Windkanälen in Göttingen und jenem der Forschungsanstalt Prof. Junkers8 in Dessau von senkrechter Bauart ist. Experimentell nachgewiesen wird der Effekt des "negativen Widerstands", der vor allem für das Flugwesen, insbesondere das Segelfliegen bedeutsam erscheint, durch den Nachfolger Knollers am Lehrstuhl für Luftschifffahrt und Automobilwesen an der TU Wien, dem Flugtechniker Richard Katzmayr9.

Was ist nun die Kernaussage des Knoller-Betz-Effekts? Ein aeromechanisch wirksamer Tragflügel sei in Bewegung. In einem körperfesten Koordinatensystem, der lagrange'schen Sichtweise, stellt sich der stationäre Betrieb des Fugsystems als ein (horizontal, vertikal und axialer) Zustand dar, in dem weder Roll-, Gier- oder Kippbewegungen auftauchen und Gravitation, Auftrieb, Widerstand und antreibende Kraft gerade ein Gleichgewicht bilden. Nun soll, ohne dass zunächst nach den Ursachen gefragt wird, die Anströmrichtung um einen kleinen Betrag variieren. In einem raumfesten Koordinatensystem, der euler'schen Sichtweise, erhält das bislang im Gleichgewicht befindliche Kräftesystem eine in Richtung der Vorwärtsbewegung liegende (axiale) Komponente, die 1 entlang der Wirklinie der Widerstandskomponente auftritt, 2. als Schub verstanden werden kann und damit 3 das Gesamtflugsystem vorantreibt.

[...]


1 Windkonzentrator: Berliner Windkraftanlage BERWIAN. Ein Windkonzentrator ist als Vorrichtung bekannt, mit der Wind auf die Rotorfläche eines Windgenerators gebündelt wird. Dennoch kann damit die vom Betzschen Gesetz vorgegebene Hürde, dass maximal 59 Prozent der im Wind enthaltenen translatorischen Energie in rotatorische Energie umgewandelt werden kann, nicht umgangen werden. Siehe auch: http://de.wikipedia.ore/wiki/Windkonzentrator.

2 http://www.bionik.tu-berlin.de/institut/skript/bibu4.pdf

3 Richard Knoller (* 25. April 1869 in Wien; + 4. März 1926 ebenda) war ein österreichischer Flugtechniker.

4 The Eiffel-type wind tunnel (Göttingen type) had an open test section with the airstream being directed from the center top towards the base of the building. The return flow was guided through the four corners of the building and propelled by four engines placed at the entrance of each return-flow channel in the basement. Each of them provided a power of 7.5 hp which enabled a maximum velocity of 90 km/h in the test section with a cross sectional area of 2.4mA2;. The particular construction of the wind tunnel allowed an easy access from all sides to the models mounted in the test section.

5 Die Albatros B.I war ein deutsches Militärflugzeug. Es wurde als Aufklärer entworfen und bis 1915 auch als solcher bei den Luftstreitkräften geflogen. Das Muster wurde 1913 vom Albatros-Chefkonstrukteur Grohmann als DD-1 (Doppeldecker 1) entworfen, die interne Werksbezeichnung lautete L-1. Bei Ausbruch des ersten Weltkrieges wurde ein militärisches Bezeichnungssystem eingeführt, und das Muster hieß nunmehr Albatros B.I. Die Phönix Flugzeugwerke bauten das Flugzeug in Lizenz für Österreich-Ungarn.

6 Gemeint ist eine Q-Wende, die nach einer 270° Drehung in den Wind auf einen raumischen Kurs führt.

7 Albert Betz (* 25. Dezember 1885 in Schweinfurt; + 16. April 1968 in Göttngen), deutscher Physiker und Pionier der Windenergietechnik, arbeitete ab 1911 als Strömungsforscher in der Aerodynamischen Versuchsanstalt Göttingen; ab 1926 Professor in Göttingen, 1936 bis 1956 als Nachfolger von Ludwig Prandtl; Leiter der Versuchsanstalt.

8 Hugo Junkers (* 3. Februar 1859 in Rheydt; + 3. Februar 1935 in Gauting), deutscher Ingenieur und Unternehmer, gründete 1895 in Dessau die Firma Junkers & Co und war bis 1932 Eigentümer der Junkers Motorenbau GmbH und Junkers Flugzeugwerk AG. 1915 Gründung der Forschungsanstalt Prof. Junkers in Dessau. Als Forscher und Ingenieur grundlegende Erkenntnisse im Flugzeugbau.

9 Richard Katzmayr, (* 3. November 1884 in Wien; + 12. April 1945 in Wien (Selbstmord)), österreichischer Flugtechniker. Assistent von Professor Knoller, später Nachfolger im Amt und Professor am Lehrstuhl für Luftschifffahrt und Automobilwesen an derTU Wien.

Ende der Leseprobe aus 20 Seiten

Details

Titel
Über instationäre Wirbelspuleneffekte bei Doppeldeckertragflächen
Untertitel
Rund Hasselwerder: Anmaßungen zum Katzmayr-Effekt
Autor
Jahr
2014
Seiten
20
Katalognummer
V281710
ISBN (eBook)
9783656756774
ISBN (Buch)
9783656756781
Dateigröße
982 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Katzmayr-Effekt
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor), 2014, Über instationäre Wirbelspuleneffekte bei Doppeldeckertragflächen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/281710

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