Grenzschichtablösung

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Grenzschichtablösung an der Oberseite eines Profils.

Grenzschichtablösung ist ein aerodynamischer Effekt an Tragflügeln. Er hat einen wesentlichen Einfluss auf die Flugleistungen eines Flugzeugs, da sie die Strömung um den Tragflügel stark behindern. Während Ablöseblasen im Schnellflug vorwiegend an der Flügelunterseite auftreten, ist beim Langsamflug die Strömung auf der Oberseite des Flügels besonders gefährdet. In beiden Fällen sind sie im Bereich des Druckanstiegs, also hinter der dicksten Stelle des Profils zu beobachten.

Neben anderen Einflüssen ist die Bildung einer Ablöseblase besonders von der Reynolds-Zahl abhängig, also von der Strömungsgeschwindigkeit, der Flügeltiefe, der Dichte und der dynamischen Viskosität. Betrachtet man den Verlauf der Luftströmung um ein Flügelprofil, so zeigt sich bei ansteigendem Anstellwinkel, dass die Strömung teilweise von der Profilkontur ablöst und sich nach einer bestimmten Laufstrecke wieder anlegt. Je größer der Anstellwinkel dabei ist, desto früher löst sich die Strömung von der Oberseite, bis sie sich nicht mehr anlegen kann. Das Flugzeug erfährt einen sogenannten Strömungsabriss, der jedoch in diesem Artikel nicht behandelt wird.

Laminare Ablöseblase nennt man diese Blase deshalb, weil die Strömung bis zu ihrer Ablösung laminar ist und sich die Strömung nach der Blase wieder an die Profilkontur anlegt. Dieses erneute Anlegen ist möglich, weil im Bereich der Ablöseblase die Strömung in den turbulenten Zustand umschlägt. Da die Moleküle der turbulenten Strömung energiereicher sind, können sie der Kontur leichter folgen, jedoch wirkt sich diese Energieanreicherung in einem Anstieg des Widerstands aus.

Vereinfacht betrachtet ist der Energieverlust in der Grenzschicht der Grund für dieses Verhalten der Strömung beim Überstreichen der Profilkontur. Die Strömung ist nach einer gewissen Lauflänge nicht mehr in der Lage, der Profilkontur zu folgen, so dass sie die Kontur verlässt und von ihr ablöst. Derartige Ablösungen entstehen vorzugsweise an den Stellen, an denen die sich Geometrie des Profils wieder verjüngt. Mit anderen Worten an den Stellen, an denen ein Druckanstieg nach Bernoulli erzwungen wird. Dies betrifft sowohl die Oberseite als auch die Unterseite des Profils, so dass an beiden Seiten Ablöseblasen entstehen können.

Mit Hilfe von Turbulatoren ist es möglich die Strömung absichtlich in eine turbulente Grenzschicht umschlagen zu lassen. Durch die Turbulenz erhöht sich der Impulsaustausch. Hierdurch wird die Strömung in Wandnähe energiereicher und kann der Profilkontur leichter folgen. Die Ablöseblase wird so verhindert. Da jedoch der Ort der Ablöseblase vom Anstellwinkel abhängt, ist eine allgemein optimale Stelle für die Turbulatoren auf der Flügeloberfläche über dem gesamten Anstellwinkelbereich nicht eindeutig bestimmbar. Ein Kompromiss zwischen guten Flugleistungen im Langsamflug und Schnellflug ist praktisch nur auf der Profilunterseite möglich. Hier entsteht nur im Schnellflug, also bei geringen Anstellwinkeln eine Ablöseblase. Auf der Oberseite des Flügels macht es keinen Sinn der Strömung Turbulenz zu erzwingen, da auf Grund der Geometrie des Profils der Bereich der Ablösungen auf dem Flügel über dem gesamten Anstellwinkelbereich zu groß ist.

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