In Anbetracht der Tatsache, dass Segelflugzeuge mit laminaren Tragflügelprofilen,
beim Einflug in Bereiche turbulenter Luft, eine Senkung der Flugleistung erfahren,
sollen die Mechanismen, die für diesen Effekt verantwortlich sind untersucht werden.
Die Verringerung der Flugleistung hängt mit der Rezeptivität – die Anfälligkeit der
Grenzschicht gegenüber äußeren Störungen – zusammen, die zur Transition der
laminaren in eine turbulente Grenzschicht führt. Unter diversen Störungen, die die
Transition einleiten können werden hier hauptsächlich Turbulenzelemente in der
unteren Atmosphäre verantwortlich gemacht. Aufgrund der weitestgehend unbekannten Struktur dieser klein-skaligen Wirbelelemente, wurden in der vorliegenden
Untersuchung Anstrengungen unternommen, um diese Wirbel zu beschreiben. Unter
vielen möglichen Messtechniken wurde die Hitzdrahtanemometrie als geeignet erachtet.
Nach der Kalibrierung der Vier-Draht-Heißfilmsonde im Eifelkanal der TU Darmstadt
wurde die gesamte Anlage an dem Forschungsflugzeug G109b des Fachgebiets
Strömungslehre und Aerodynamik montiert und in Betrieb genommen. Die
Datenerfassung fand an drei Sommernachmittagen in einer Höhe von etwa 1100m statt.
Eine Software zur Auswertung wurde entwickelt, die es ermöglicht Auf- bzw. Abwinde
zu identifizieren und Turbulenzgrade bzw. charakteristische Wirbelgrößen über die
Messdauer zu berechnen. Diese graphisch dargestellten Ergebnisse ermöglichen ein
nachträgliches Analysieren und Vergelichen der einzelnen Abbildungen, woraus sich
einige Zusammenhänge ableiten lassen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
3 Grundlagen
3.1 Meteorologie
3.1.1 Thermik
3.1.2 Turbulenz
3.2 Profilumströmung
3.3 Messtechnik
3.3.1 Überblick über Geschwindigkeitsmesssonden
3.3.2 Hitzdrahtanemometrie
3.3.3 Die Vier-Draht-Sonde
3.3.4 Erfassung der Umgebungsdaten
4 Versuchsdurchführung
4.1 Kalibrierung
4.2 In-flight Messungen
4.3 Auswertung
5 Diskussion der Ergebnisse
5.1 Ergebnisse der Kalibrierung
5.1.1 Geschwindigkeitskalibrierung
5.1.2 Pitch-Winkel-Kalibrierung
5.1.3 Yaw-Winkel-Kalibrierung
5.2 Ergebnisse der Auswertung der in-flight Messungen
5.2.1 Energiebilanz
5.2.2 Turbulenzgradverteilung
5.2.3 Turbulenzgrößenverteilung
5.3 Die Anlage in Betrieb
6 Fazit und Ausblick
6.1 Überblick
6.2 Ergebnisse
6.3 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Studienarbeit untersucht die Mechanismen klein-skaliger atmosphärischer Turbulenz, die bei Segelflugzeugen mit Laminarprofilen zu Leistungsverlusten führen. Ziel ist die experimentelle Erfassung und Beschreibung dieser Turbulenzelemente mittels Hitzdrahtanemometrie in Flugversuchen.
- Grundlagen der atmosphärischen Meteorologie und Thermik.
- Methodik der Hitzdrahtanemometrie und Kalibrierung einer Vier-Draht-Sonde.
- Durchführung von In-flight Messungen mit dem Forschungsflugzeug G109b.
- Auswertung der Energiebilanz zur Identifikation von Auf- und Abwinden.
- Analyse von Turbulenzgrad- und Turbulenzgrößenverteilungen.
Auszug aus dem Buch
3.1.2 Turbulenz
Der Begriff Turbulenz wird von vielen Wissenschaftlern unterschiedlicher Fakultäten verwendet was zur Folge die Vielfältigkeit seiner Bedeutung hat. Untersucht man beispielsweise Rohrströmungen, so versteht man unter Turbulenz die turbulente Strömung, die sich ab einer kritischen Reynolds-Zahl einstellt. In der Luftfahrt beschreiben Turbulenzen Verwirbelungen, die auf unterschiedliche Art entstehen und Einfluss auf das Flugverhalten nehmen. Unabhängig von der Disziplin in der dieser Begriff verwendet wird, versteht man unter Turbulenz die räumlich und zeitlich ungeordnete Bewegung eines Fluids, die immer rotationsbehaftet ist.
Die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts vom britischen Physiker Osborne Reynolds durchgeführten Versuche weisen auf den dreidimensionalen Charakter von Turbulenzen. Darüber hinaus konnte keine Gesetzmäßigkeit in der Bewegung der Teilchen festgestellt werden woraus der Schluss gefasst wurde, Turbulenzen seien irregulär und zufällig. Aufgrund des empfindlichen Verhaltens auf Anfangsbedingungen und des nichtlinearen dynamischen Verhaltens der Luftteilchen bezeichnet man Turbulenzen als chaotische Systeme.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Problematik von Leistungsverlusten bei Segelflugzeugen durch atmosphärische Turbulenzen und motiviert den Einsatz der Hitzdrahtanemometrie.
2 Stand der Technik: Erörtert bestehende Experimente zur laminaren Grenzschicht und diskutiert die Einschränkungen früherer Untersuchungen hinsichtlich räumlicher Auflösung und Messfrequenz.
3 Grundlagen: Erläutert meteorologische Zusammenhänge wie Thermik und Turbulenz sowie die physikalischen Prinzipien der Hitzdrahtanemometrie zur Strömungsmessung.
4 Versuchsdurchführung: Dokumentiert das Kalibrierungsverfahren der Vier-Draht-Sonde und den Aufbau der in-flight Messungen am Forschungsflugzeug G109b.
5 Diskussion der Ergebnisse: Präsentiert und interpretiert die Kalibrierungsdaten sowie die Messergebnisse der Flugversuche, insbesondere hinsichtlich Energiebilanz und Turbulenzstrukturen.
6 Fazit und Ausblick: Führt die zentralen Erkenntnisse zusammen und schlägt Verbesserungen für zukünftige Messungen vor, insbesondere beim A/D-Wandler.
Schlüsselwörter
Atmosphärische Turbulenz, Segelflug, Laminarprofil, Hitzdrahtanemometrie, Heißfilmsonde, In-flight Messung, Thermik, Wirbelstärke, Turbulenzgrad, Energiebilanz, Reynolds-Zahl, Grenzschicht, Strömungslehre, Aerodynamik, Flugversuch
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, warum Segelflugzeuge mit Laminarprofilen beim Durchfliegen turbulenter atmosphärischer Luft an Leistung verlieren, und versucht, die Struktur dieser Wirbelelemente experimentell zu erfassen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen umfassen die Meteorologie (Thermik), die Strömungsmechanik (laminare/turbulente Grenzschicht) und die angewandte Messtechnik (Hitzdrahtanemometrie in der Luftfahrt).
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, klein-skalige Turbulenzen in der freien Atmosphäre zu beschreiben, ihre räumliche Ausdehnung zu bestimmen und Zusammenhänge zwischen vertikalen Strömungen und Turbulenzgraden zu finden.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine experimentelle Methode mittels einer Vier-Draht-Heißfilmsonde verwendet, die am Forschungsflugzeug G109b montiert wurde. Die Daten werden über eine selbst entwickelte Software ausgewertet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen, die detaillierte Beschreibung der Kalibrierung und Versuchsdurchführung sowie die anschließende Diskussion der gewonnenen Flugdaten.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Begriffe sind Atmosphärische Turbulenz, Hitzdrahtanemometrie, Laminarprofil, Energiebilanz, Wirbelstärke und Turbulenzgrad.
Warum ist eine Kalibrierung der Sonde so zeitintensiv?
Da es keine exakten analytischen Zusammenhänge zwischen der gemessenen elektrischen Spannung und der Strömungsgeschwindigkeit gibt, müssen die Koeffizienten für jedes einzelne Messgerät empirisch durch eine Vielzahl von Messpunkten ermittelt werden.
Welche Einschränkung der Messanlage wird im Fazit kritisiert?
Der verwendete A/D-Wandler registriert Spannungsfluktuationen nur als Betrag ohne Vorzeichen, wodurch die exakte Bestimmung der Strömungsrichtung und der Wirbelstärke unmöglich ist.
Konnte die Kolmogorov-Theorie durch die Messungen bestätigt werden?
Ja, die Beobachtungen, dass große Wirbel im Grenzbereich von Auf- und Abwinden entstehen und dann in kleinere Wirbel zerfallen, stützt die energetischen Annahmen der Kolmogorov-Theorie.
- Quote paper
- Christoph Dienel (Author), 2007, Experimentelle Untersuchung klein-skaliger, atmosphärischer Turbulenz mit Hilfe einer Heißfilmsonde im Flugversuch, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/74120
