Winddruck
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Der Winddruck ist ein rechnerischer Druck, der entsteht, wenn strömendes Gas, bzw. allgemeiner ein strömendes Fluid, auf einen Gegenstand trifft. Umgekehrt tritt der gleiche Druck an einem Gegenstand auf, der sich durch ruhende Luft bewegt. Dies wird als Luftwiderstand bezeichnet (siehe auch Strömungswiderstand).
Es handelt sich hierbei um dynamischen Druck, im Gegensatz zum Luftdruck, bei dem es sich um statischen Druck handelt.
Der Winddruck ist deshalb rechnerisch, weil davon ausgegangen wird, dass er auf der kompletten Anströmfläche konstant ist. In Wirklichkeit stellt sich aber eine Druckverteilung auf dem Gegenstand ein. Das Produkt aus Winddruck und Anströmfläche ergibt die Strömungskraft. Sie ist genauso groß wie das Flächenintegral über die Druckverteilung auf dem Gegenstand. Somit ist der Winddruck der Mittelwert der Druckverteilung. Der größte auf dem Gegenstand auftretende Druck ist der Staudruck im Staupunkt, wo die Strömung auf Stillstand abgebremst und die kinetische Energie des Fluids in Druck umgewandelt wird.
Bei den Gegenständen in der Strömung wird unterschieden zwischen Widerstandskörpern und Strömungskörpern. Bezugsfläche für den Widerstandsbeiwert ist immer die grösste projizierte Fläche des Körpers. Bei Widerstandskörpern liegt diese Stirnfläche quer zur Strömungsrichtung. Solche Körper sind Re-Zahl-unempfindlich. Bei Strömungskörpern liegt die grösste Fläche in Strömungsrichtung (Tragfläche, Rotorblatt, Leitwerk) und die Bezugsfläche bleibt auch für verschiedene Anstellwinkel konstant.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Definition
Für Winddruck pWind und Kraft F parallel zur Wind- bzw. zur Strömungsrichtung gilt:
(in 
bzw. N)
Alternativ kann der Luftwiderstandsbeiwert cw nicht dem Druck, sondern der Fläche zugerechnet werden, es ergibt sich dann eine effektive Widerstandsfläche:
- jeweils mit
= Projektionsfläche in m2
= dimensionsloser Luftwiderstandsbeiwert bzw. Strömungswiderstandskoeffizient
= Windgeschwindigkeit in m/s
= Dichte der Luft in kg/m3
[Bearbeiten] Materialwerte
Die Dichte der Luft bei mittlerem Druck auf Meereshöhe von 1013,25 hPa = 760 Torr (mmHg) ist:
(bei 0 °C)
(bei 20 °C)
| Form | cw-Wert |
|---|---|
| Kreisplatte, Quadratplatte | 1,11 |
| Halbkugelschale, konvexe Seite | 0,34 |
| Halbkugelschale, konkave Seite | 1,33 |
Weichen Luftdruck und Temperatur von diesen Werten ab, so müssen für genaue Berechnungen die zugehörigen Werte nach der Thermischen Zustandsgleichung eingegeben werden. Die Abweichungen die sich durch Variationen der geometrischen Form der Fläche für den des Luftwiderstandswert ergeben können sind jedoch demgegenüber so groß, dass unter irdischen Oberflächenbedingungen Temperatur und Luftdruck vernachlässigt bleiben können.
[Bearbeiten] Beispiel
- Windgeschwindigkeit: 30 km/h (8,33 m/s) bei 20 °C und 760 mmHg;
- Gegenstand: quadratische Platte mit einer Fläche A von 1 m2;
Daraus ergibt sich eine Kraft F wie folgt:
[Bearbeiten] Beispieltabelle
Kraft bzw. Druck auf eine senkrecht angeströmte Fläche von 1 m2 mit cw = 1 bei verschiedenen Windstärkenwerten. Innerhalb jeder Stufe der Beaufortskala sind jeweils die oberen Windgeschwindigkeitswerte angegeben.
| Windstärke in Bft | Windgeschwindigkeit in m/s | Winddruck in N/m2 |
|---|---|---|
| 0 | 0,2 | 0,03 |
| bis 1 | 1,5 | 1,4 |
| bis 2 | 3,3 | 6,6 |
| bis 3 | 5,4 | 17,6 |
| bis 4 | 7,9 | 37,6 |
| bis 5 | 10,7 | 68,9 |
| bis 6 | 13,8 | 114,6 |
| bis 7 | 17,1 | 176 |
| bis 8 | 20,7 | 258 |
| bis 9 | 24,7 | 367 |
[Bearbeiten] Literatur
- Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik, Stuttgart: Motorbuchverlag 2003, ISBN 3-613-02006-8
