BERICHT ZUM LABORPRAKTIKUM

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Elke Baumann
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1 BERICHT ZUM LABORPRAKTIKUM Aerodynamik im Windkanal Mathias Rebholz HS 2010 Labor-Praktikums-Bericht Aerodynamik" 1

BERICHT ZUM LABORPRAKTIKUM Aerodynamik an einem Rechteck-Profil im Windkanal Dolore Dignissim Volobor Autpat Alisim Quipis HS 2010 Einführung und Ziel An einem Rechteck-Profil im Windkanal, sollten

2 BERICHT ZUM LABORPRAKTIKUM Aerodynamik an einem Rechteck-Profil im Windkanal Dolore Dignissim Volobor Autpat Alisim Quipis HS 2010 Einführung und Ziel An einem Rechteck-Profil im Windkanal, sollten verschiedene Effekte der Aero- oder allgemein der Fluiddynamik anschaulich gemacht werden. Dazu wurde das Profil unter verschiedenen Anstellwinkeln und Strömungen (Reynolds) betrachtet. Au!au Bei dem verwendeten Profil handelte es sich um ein NACA 0012 Profil. Dies ist ein symestrisches Profil, welches keine Krümmung und eine Dicke von 12% der Länge aufweist. Die maximale Dicke liegt hierbei bei 30% der Profillänge. Das Profil ist rechteckig und besitzt keine Durchschnittsveräderungen. Das Profil war mit einer Sechs-Punkte-Waage verbunden, welche die angreifenden Kräfte maß. Beim Windkanal, handelte es sich um den 1932 erbauten ETH-Windkanal. Dies ist ein Umlau&anal mit einer Leistung von 2 mal 170 KW und einer maximalen Windgeschwindigkeit von 60 m/s. Temperatursteuerung gibt es im Kanal keine, sodass während der Messungen ein leichter Temperaturanstieg erkennbar war. Der genaue Au'au ist dieser Skizze zu entnehmen. Labor-Praktikums-Bericht Aerodynamik" 2

Vorbereitung und Durchführung der Versuche Die Messung der Kräfte auf das Profil erfolgte über eine 6-Punkte-Waage, welche ihre Messergebnisse via Piezzoelemente ausgibt.

3 Vorbereitung und Durchführung der Versuche Die Messung der Kräfte auf das Profil erfolgte über eine 6-Punkte-Waage, welche ihre Messergebnisse via Piezzoelemente ausgibt. Die Spannung der einzelnen Punkte wurde dann mittels Computer in Kräfte umgerechnet. Zur korrekten Messung der Kräfte war es deshalb erforderlich den Computer zunächst mit den erforderlichen Umrechnungsfaktoren zu füttern. Zunächst wurde bei stillstehender Luft, die Spannungsmessung nullgesetzt und die linearen Faktoren zwischen Volt Messspannung und Staudruck mittels 2 Punkt Messung und Tabellenwerten ausgerechnet. Der Umgebungsdruck wurde ebenfalls gemessen und im Computer gespeichert. Bei 30% der Windkanalleistung wurde das Profil zunächst manuell auf immer größere Anströmwinkel eingestellt. Am angestellten Profil konnten man Effekte wir Umschlag der Strömung, Ablösung und den Endwirbel eines Profils anschaulich machen. Dazu wurden Fäden auf der Profiloberfläche (Ablösung), ein Rauschstetoskop (Umschlag) und weißer Rauch/ Öldampf (Endwirbel) benutzt. Zum Abschluss wurden noch die angreifenden Kräfte am Profil unter verschiedenen Anströmwinkeln, Geschwindigkeiten (Reynoldszahlen) und Winglet-Konfiguration gemessen. Dazu benutzten wir die 6-Punkte-Waage und Computer, welcher die Ergebnisse auch gleich graphisch darstellte Beobachtete Aerodynamische Effekte Umschlag der Strömung Die Strömung der Luft um das Profil ist zunächst laminar. Da Reibung vorliegt bildet sich eine Grenzschicht aus, welche bald zu einem Umschlag der Strömung in den turbulenten Zustand zur Folge hat (Skizze 1). Bei hohen Reynoldszahlen geschieht dies bereits sehr weit vorne am Profil, sodass Flugzeuge nahezu ohne laminare Strömung fliegen. Skizze I Labor-Praktikums-Bericht Aerodynamik" 3

Ablösung Durch die Reibung an der Oberfläche wird die Grenzschicht am Profil auf null heruntergebremst.

Dabei kann es passieren, dass die Strömung über der Profiloberfläche umgekehrt strömt, sich also ablöst (siehe Skizze II).

4 Ablösung Durch die Reibung an der Oberfläche wird die Grenzschicht am Profil auf null heruntergebremst. Nach der dicksten Stelle erfährt die Strömung eine Querschnittserweiterung wodurch der Druck, zusätzlich zum Druckunterschied durch Anstellen des Profils, sinkt. Dabei kann es passieren, dass die Strömung über der Profiloberfläche umgekehrt strömt, sich also ablöst (siehe Skizze II). Der Bereich des Anströmwinkels in dem die Strömung sich ablöst ist sehr klein und kommt recht plötzlich. Beim Rechteck-Profil löst sich die Strömung zuerst im unteren Bereich ab (siehe Kap. Endwirbel). Bei turbulenten Strömung tritt die Ablösung später auf als bei laminaren, da turbulente Strömungen mehr E- nergie enthalten und die Grenzschicht höhere Geschwindigkeitszunahmen nahe der O- berfläche aufweisen. Endwirbel Skizze II Wird ein Profil angestellt, also unter einem bestimmten Winkel angeströmt, so bildet sich auf der Unterseite ein Überdruck und auf der Oberseite ein Unterdruck (Skizze III). Im Bereich des Profilendes versucht die Luft nun diesen Druckunterschied auszugleichen. Dies führt zu einer Umströmung des Profilendes (Skizze IV). Dadurch ändert sich der Winkel der Anströmung im Bereich des Profilendes (Skizze V), was erklärt, warum sich bei einem kritischen Anstellwinkel a die Strömung im Endbereich des Profils zunächst nicht ablöst (Skizze VI). Skizze III Skizze IV Labor-Praktikums-Bericht Aerodynamik" 4

Zum anderen induziert diese Umströmung des Profilendes einen Wirbel am Prof, welcher sehr lokal ist, sich aber mit der Strömung fortsetzt und oft noch minutenlang fortbesteht.

5 Zum anderen induziert diese Umströmung des Profilendes einen Wirbel am Prof, welcher sehr lokal ist, sich aber mit der Strömung fortsetzt und oft noch minutenlang fortbesteht. Dieser Wirbel erzeugt Widerstand, welcher als induzierter Widerstand bezeichnet wird. Skizze V Skizze VI Widerstand Der Widerstand eines Profils trennt sich in induzierten Widerstand und Nullwiderstand auf, welcher sich nochmal in Reibungs- und Formwiderstand splittet. Reibungswiderstand sind Schubspannungen, welche von der umströmten Fläche und der Oberflächenbeschaffenheit abhängig sind. Formwiderstand entsteht durch Druckunterschiede vor und hinter dem Profil, welche nicht den idealen Potentialströmungen entsprechen und unsymetrisch sind. So bildet sich auf der angeströmten Seite des Profils ein Überdruck und auf der Rückseite durch Ablösung der Strömung Unterdruck. Der Formwiderstand ist hauptsächlich von der Form abhängig. Induzierter Widerstand schließlich entsteht durch die Umströmung des Profilendes, welche durch den Druckunterschied auf Ober- und Unterseite bedingt ist. Der induzierte Widerstand hängt maßgeblich vom Anstellwinkel des Profils ab. Einfluss auf Auftriebswerte Im Grenzbereich, kurz vor der Ablösung sind kleine Unterschiede erkennbar. Bei höheren Reynoldszahlen (höherer Geschwindigkeit) löst die Strömung ein wenig später, also bei einem größeren Anstellwinkel ab, was den maximalen Auftrieb erhöht (Diagramm I). Der Anstieg des Auftriebs über den zunehmenden Winkel ist aber nahezu unabhängig von der Reynoldszahl, was Messungen an einem Profil im Windkanal mit anderen Reynoldszahlen möglich macht. Labor-Praktikums-Bericht Aerodynamik" 5

6 Diagramm I Der Auftriebswert kann zusätzlich durch den Anbau einer Endplatte oder Winglet erhöht werden. Zu beobachten ist auch, dass der kritische Winkel für Wiederanlegen der Strömung kleiner sein muss, als der zur Ablösung. Der Anbau von Winglets hat allerdings auch Nachteile. Der Nullwiderstand steigt durch die größere Reibung. Allerdings steigt der Auftriebswert pro Widerstand ein wenig. Damit sich das Winglet lohnt muss der Anstellwinkel recht groß sein, was bedeutet, dass sich es sich erst im Grenzbereich wirklich lohnt Winglets zu nutzen. Labor-Praktikums-Bericht Aerodynamik" 6

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