The downsizing of significant design parameters, succeeds in reducing the profile depth of the planned, performance-equivalent target construction according to the similarity theory of Maxwell by having a profile contour of the fluid-mechanically effective leading wing of a vessel. The argumentation based on the performance of the wing.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Ähnlichkeitsbetrachtungen
3. Strömungskräfte beim Manövrieren
4. Geometrie
5. Kräfte
6. Koeffizienten
7. Energie und Leistung
8. Manövrierleistung
9. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit untersucht die physikalischen Zusammenhänge bei der Verkleinerung (Downsizing) von technischen Systemen, insbesondere von Tragflächen an kleinen Seefahrzeugen, unter Anwendung der Ähnlichkeitstheorie nach Maxwell.
- Anwendung der Buckinghamschen Pi-Theorie auf Strömungssysteme
- Herleitung einer Skalierungsvorschrift für die Geometrie von Tragflächen
- Analyse der Strömungskräfte und der Manövrierleistung
- Mathematische Modellierung der Leistungsabhängigkeit von der Profiltiefe
Auszug aus dem Buch
Ähnlichkeitsbetrachtungen
Downsizing der Maschine wird oftmals dann erwogen, wenn eine technischen Innovation bei gleichem Leistungsvermögen einer Maschine, eines Verfahrens oder eines Prozesses, der strukturelle Aufwand, die Masse, der Bauraum oder sogar die Komplexität des technischen Artefakts verringert werden kann. Das Leistungsvermögen der Originalsystems und der optimierten Variante sei vergleichbar ähnlich oder gleich. Bei fluidischen Geräten, Maschinen und Apparaten wird eine (sehr) Ähnliche Strömungswirklichkeit in und um den technischen Artefakten vorausgesetzt werden müssen. Die fluidmechanische Leistung eines Ausgangszustands Z(ϑ) und des avisierten Zielzustands Z(Γ) soll vergleichbar identisch sein, also: P = Pϑ = PΓ = CONST. Dabei sind Aspekte der „Skaliertheit“ der avisiert physikalisch gleichwertigen Konstruktionen von Belang sowie die Frage, was eigentlich (gestalterisch) geschehen soll, wenn sich manche Funktions- und Gestaltungsparameter einer derartigen Skalierung entziehen.
Gesucht sind zunächst Similaritätenmodelle, die aus der Ähnlichkeitstheorie stammen und die eine Dimensionsanalyse der zu untersuchenden physikalischen Größe nutzen, um dem Downsizing-Intend in der frühen Phase der industriellen Produktentwicklung zu genügen. Der paradigmatische Kern tradierter Similaritätsmodelle ist die Ähnlichkeitstheorie nach Maxwell, die auf dem Theorem von Buckingham aufbaut. Das Buckingham‘sche π-Theorem (nach Edgar Buckingham 1867–1940) ist ein grundlegendes Theorem der Ähnlichkeitstheorie und der Dimensionsanalyse. Es beschreibt, wie eine physikalisch sinnvolle Gleichung mit n dimensionsbehafteten Größen in eine n-m dimensionslosen Größen umgeschrieben werden kann, wobei m die Anzahl der verwendeten unabhängigen Grundgrößen.
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Einführung in das Konzept des Downsizings als gestalterische Zielsetzung zur Ressourceneffizienz bei technischen Systemen.
Ähnlichkeitsbetrachtungen: theoretische Herleitung der Ähnlichkeitstheorie nach Maxwell und deren Bedeutung für die physikalische Vergleichbarkeit von Systemzuständen.
Strömungskräfte beim Manövrieren: Untersuchung der bei der Steuerung von Seefahrzeugen auftretenden Kräfte und deren Relevanz für das Tragflügeldesign.
Geometrie: Auflistung der relevanten geometrischen Parameter zur Beschreibung von Tragflächenprofilen.
Kräfte: Mathematische Definition der auf eine Finne wirkenden vektoriellen Strömungskräfte und Widerstände.
Koeffizienten: Zusammenstellung der dimensionslosen Kennzahlen zur Charakterisierung von Auftrieb und Widerstand.
Energie und Leistung: Analyse des Energieverbrauchs in Abhängigkeit von translatorischen und rotatorischen Bewegungen.
Manövrierleistung: Zusammenführung der Erkenntnisse zur Bestimmung der für Lenkmanöver notwendigen Leistung bei gleichzeitiger Anwendung der Downsizing-Skalierung.
Zusammenfassung: Synthese der Ergebnisse zur optimierten Profilkontur für fluidmechanisch wirksame Tragflächen.
Schlüsselwörter
Downsizing, Ähnlichkeitstheorie, Buckingham-Theorem, Strömungskräfte, Tragflächen, Seefahrzeuge, Manövrierleistung, Profiltiefe, Skalierung, Fluidmechanik, Leistungskoeffizient, Strömungswirklichkeit, Konstruktionslehre, Auftrieb, Widerstandsbeiwert.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Es geht um die Anwendung physikalischer Ähnlichkeitsbetrachtungen, um technische Systeme wie Surfboard-Finnen bei gleichbleibender Leistung zu verkleinern.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die Strömungsmechanik, die Ähnlichkeitstheorie nach Maxwell/Buckingham und das ingenieurwissenschaftliche Konzept des Downsizings.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Ableitung einer mathematischen Skalierungsvorschrift, die es erlaubt, die Geometrie von Tragflächen effizient zu verkleinern, ohne deren manövrierrelevante Leistung zu beeinträchtigen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Dimensionsanalyse (Pi-Theorem) nach Buckingham verwendet, um ein konsistentes mathematisches Modell für die Leistungsfähigkeit von Strömungskörpern zu erstellen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die theoretische Herleitung der Skalierungsfaktoren sowie die spezifische Anwendung auf die Strömungskräfte und die Manövrierleistung bei Surfboard-Finnen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Downsizing, Ähnlichkeitstheorie, Buckingham-Theorem, Strömungskräfte und Manövrierleistung.
Wie unterscheidet sich die Finne eines Surfboards von einem typischen Schiffsruder?
Im Gegensatz zu einem meist aktiv bewegten Schiffsruder fungiert die Surfboard-Finne als passives, symmetrisches System, das bei Manövern schräg zur Hauptströmung angeströmt wird.
Welchen Einfluss hat die Profiltiefe auf die Manövrierleistung?
Die Profiltiefe ist ein signifikanter Gestaltungsparameter; die Arbeit zeigt, dass die Leistung P proportional zur Profiltiefe mit einem Exponenten von 3,5 skaliert.
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- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Author), 2016, Leistungsähnlichkeit von Tragflügeln, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/345615
