Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

[pipo]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

Hi,

Statt mit nicht so ganz verstandenen Simulatorergebnissen zu argumentieren (und das ist ehrlich weder böse noch herablassend gemeint) empfehle ich ein dem gesunden Menschenverstand geschuldetes Experiment. Nimm einfach ein gemäß Deinem Rechenbeispiel für die GZ 15,8 gerechnetes Brett (ca. 17m breit und 2m tief; Du darfst gerne ultraleichtes Balsaholz verwenden ). Befestige Leinen daran und zieh es auf. Ich verspreche Dir eins: Du wirst sehr schnell laufen müssen (also für Vortrieb sorgen), so richtig fliegen wird es nicht, und ganz gewiss kriegst Du keine GZ von 15.8 hin

Wenn's nur um den Erkenntnisgewinn geht, ist ein 34qm Balsaflügel nicht nötig.
Bau deinen eigenen Vorschlag im Maßstab 1:10, oder 1:20 und du wirst sehen, es wird gut fliegen. (Sofern Trimmung bzw. Einstellwinkel sinnvoll gewählt sind.)

vG,

P.

[Flatlander]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

o.k. einen hab ich noch... zum nach- und selber rechnen, wiederum tolles Lehrvideo:

https://www.youtube.com/watch?v=vU25VghefmM

[Gast]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

Warum überhaupt ein Profil?

Wir stellen ein Brett mit einem Anstellwinkel in die strömende Luft. Es lenkt die Luft nach unten um, und produziert entsprechend der umgelenkten Luftmasse einen Auftrieb.



Wenn Luft an einer Kante entlangströmt, entsteht hinter der Kante ein Wirbel. Luft kann aber eine Kontur entlangströmen ohne dass ein Wirbel entsteht, wenn die Wölbung der Kontur nicht zu stark ist. Wenn wir also unser Brett mit einem positiven Anstellwinkel haben, dann haben wir eine Kante und einen Wirbel. Jetzt wölben wir die Vorderseite des Brettes so, dass es glatt in die Strömung zeigt und danach erst gewölbt ist. Nun haben wir ein Brett mit weniger Luftwiderstand. Es produziert mehr Auftrieb und hat weniger Widerstand. Für diesen einen Anstellwinkel.



Damit ein Bereich von Anstellwinkeln ohne Wirbel funktionieren, muss das Profil vorne eine Nase haben, d.h. abgerundet sein. Hinter dieser abgerundeten Nase will man keinen Wirbel haben, also schließt man die Nase und die Hinterkante des Brettes. Und schon haben wir unser Flugzeugprofil. Das Vollprofil hat noch einen weiteren Vorteil: Es erlaubt die statischen Konstruktionen, die den Flügel stabil machen, ins Innere zu verlegen.
Trotzdem wäre ein unendlich dünnes Profil, das auf besondere Weise immer im perfekten Anstellwinkel steht, aerodynamisch besser.


Das obige ist schon mal der größte Teil des Auftriebs: Direkte Ablenkung der Luft. Aber es wird noch mehr Luft abgelenkt als an der Kontur entlang strömt. Hinter einem Hindernis entsteht ein Unterdruck. Dieser Unterdruck bewirkt, dass die Summe der Druckkräfte am Objekt zu einer Kraft am Objekt führt. Auch das ist Auftrieb:



Zusätzlich gibt es Luft, die abgelenkt wird, weil sie an der abgelenkten bzw. abgebremsten Luft vorbei strömt. Die in die Bereiche niedrigeren Drucks hin strebt usw. Die muss auch noch mitberechnet werden.

Zusätzlich gibt es einen Beschleunigungseffekt und einen Bremseffekt der Luft an den Oberflächen durch Reibung. Diese teils schneller und teils langsamer strömende Luft erzeugt unterschiedliche Luftdruckgebiete, die Wiederum in die Gesamtbilanz des Auftriebs einfliessen.

Zusätzlich gibt es Wirbel. Aber das lass ich lieber mal.

zum Basteln:

http://physics.weber.edu/schroeder/fluids/

[shoulders]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

Damit Trimmung und Einstellwinkel auch gut gewählt bleiben, muss aber ein ausreichendes Gewicht unten dran hängen (ohne das fliegt es nicht, sondern trudelt unkontrolliert zu Boden). Das sorgt dann über den Luftwiderstand der stabilisierten Fläche für Vorwärtsfahrt, und wegen der gibt's überhaupt erst ein Gleiten. Ohne sie haben wir nur einen gebremsten Fall.

Nun ist aber die Vorwärtsfahrt nicht für jedes Gewicht gleich groß. Denn von letzterem hängt die vertikale Kraftkomponente ab. Wöge der Pilot eine Tonne, würde auch ein Superduper-Hochleister mit ihm darunter keine nennenswerte Gleitzahl mehr erreichen. Etwas weniger plakativ: schon an der Gewichtsobergrenze geflogene Schirme sind zwar schneller als gering belastete, gleiten aber nicht mehr ganz so gut - wenngleich der Zusammenhang nicht linear ist (natürlich gibt es andersherum auch ganz ohne ein Gewicht unten dran keine Stabilität, und damit ebenfalls keine nennenswerte Vorwärtsfahrt mehr, aber das ist ein anderes Thema). Oder irre ich mich da?

Vor diesem Hintergrund wird auch das Verhältnis von Gewicht zur Fläche interessant. Ist es zu klein, bleibt der Anstellwinkel nicht stabil, und es fliegt nicht (weit). Ist es zu groß, so überwiegt die Fallkomponente und es fliegt ebenfalls nicht weit. Müsste man also nicht zur Betrachtung des "antriebslosen fliegenden Bretts" aus GS-Sicht ein Verhältnis heranziehen, bei dem auf menschliche Dimensionen hochskaliert etwas Unmögliches herauskommt? Nämlich eine Holzfläche, die einen Menschen trägt, aber nur einen Bruchteil seines Gewichts aufbringt? Soviel zum Modell...

Zum Schluß noch mal eine ganz einfache Frage: wenn das Brett und der Flügel gleich gut gleiten, also die Widerstandskräfte ein wesentlicher Faktor und der Vortrieb vernachlässigbar wären - warum haben Segelflugzeug-Flügel aufwändig gerechnete Profile? Nur wegen etwas mehr Stabilität im Flug?


CU
Shoulders

[Gast]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

In diesem Grundlagenwerk von einem Herrn Lilienthal

http://lilienthal-museum.museumnet.eu/sites/lilienthal-museum.museumnet.eu/files/archivalie/digitalisatepublic/gl_10.pdf

findet sich auf Seite 88 ein schönes Bild, dass den Vorteil eines gewölbten Flügels gegenüber einem Brett schön darstellt:

Er sagt dazu:

Wie die Figur es andeutet, wird der Luftstrom, welcher die ebene
Fläche traf, durch diese Fläche in Unordnung kommen. Auch hinter
der Fläche werden noch Wirbel und unregelmäßige Bewegungen in
der Luft sein, die erst nach und nach durch Reibung aneinander ihre
ihnen innewohnende nicht horizontal gerichtete lebendige Kraft
verzehren oder, anders ausgedrückt, in Reibungswärme verwandeln.

[nikolaus]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

In diesem Grundlagenwerk von einem Herrn Lilienthal

Danke für den Link. Ich würde zwar "aus dem Bauch heraus" vermuten, dass die Darstellung zu pessimistisch ist, aber im Prinzip bestimmt richtig.

Intuitiv ist bei mir der Eindruck entstanden, dass ein Profil vor allem drei Vorteile liefert:

1. Stärkeren Auftrieb bei gleicher Flächenbelastung?
2. Höheren Anstellwinkel (-Bereich) bis zum Strömungsabriss (oder Sackflug)?
3. Weniger Verluste durch Störungen (Wirbel) der Strömung?

Vielleicht noch:

4. geringere Minimalfahrt?
5. Nickdämfung?
6. Stabilität in Turbulenzen?

shoulders` Behauptung, ein "Brett" könne ohne Antrieb nicht gleiten, kann ich angesichts verschiedener Papierflieger nicht nachvollziehen:

https://www.youtube.com/watch?v=CI5io_hJLk8

Dieses einfache "Raketenmodell" hat allerdings auch nur eine Flächenbelastung von ca. 250gr/qm (5gr bei 200qcm) und eine Streckung von ca. 0,85 (sofern die Mitte nicht wie im Bild geschlossen ist).

LG Jochen

[Gast]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

4: ja, schau mal hier: https://www.youtube.com/watch?v=S6JKwzK37_8 -> demonstriert die Leistungsfähigkeit von gewölbten Platten
5: bestimmt
6: gewiss

eben wegen der Möglichkeit unterschiedliche Anstellwinkel zu verkraften.

Ich glaube auch, dass Lilienthal da zu viele Wirbel eingezeichnet hat, insbesondere vor dem Brett, aber die Wirbel sind schon das Problem.

Bei dem "Raketenflieger" ist ja so eine Kante am oberen Flügel. Ich hatte früher immer geglaubt, dass die sehr schlecht für die Aerodynamik ist. Nach dem ich die "Kante" oben gesehen habe, bin ich nicht mehr so sicher.

[shoulders]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

shoulders` Behauptung, ein "Brett" könne ohne Antrieb nicht gleiten, kann ich angesichts verschiedener Papierflieger nicht nachvollziehen:

Sehr schönes, intuitiv verständliches Argument. Am Papierflieger sieht man in der Tat, dass auch etwas ohne Tragflächenprofil fliegt - was ich freilich auch nie bestritten habe, sofern irgendwoher die Vorwärtsfahrt kommt. Den Raketenflieger wirft halt freundlicherweise jemand mit Schmackes los. Das gerade, schwere Brett mit Leinen dran - naja...


CU
Shoulders

[Gast]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

Ein perfektes Segelflugzeug mit Laminarprofil und Turbulator steht auch einfach am Boden rum, wenn man es nicht startet. Und wenn man es aus dem Himmel fallen lässt wird es, genau wie das Brett auch, möglicherweise in einen Gleitflug übergehen, wenn der Schwerpunkt passt.

These: Das Brett, das mit ausreichend Streckung versehen ist, das steif und leicht genug ist, mit einem Gewicht an Schnüren unten dran, wird bestimmt eine Gleitzahl über 10 erreichen.

Antithese: Ich trau mich nicht "jede Wette" darauf einzugehen, weil ich fürchte, dass man das Pendeln nicht in den Griff bekommt. So ein Brett hat halt enorme Schwankungen im Luftwiderstand.

[Himmelberührer]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

Oder vielleicht so was? Ich würde mal sagen, der Shoulders baut einmal ein paar Geräte, und gibt uns dann das Ergebnis seiner Forschungen bekannt.

Der Reptor - ein Brettnurflügel für alle Zwecke

Frei nach dem Motto: Ein Taucher der nicht taucht, taucht nichts.

[Slople.com]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

Am Papierflieger sieht man in der Tat, dass auch etwas ohne Tragflächenprofil fliegt - was ich freilich auch nie bestritten habe, sofern irgendwoher die Vorwärtsfahrt kommt.

Das gilt für so ziemlich jedes Flächenflugzeug?!

[Flatlander]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

danke Sebastian für den link: https://www.youtube.com/watch?v=S6JKwzK37_8

dieses Video beantwortet doch den Thread-Titel sehr intutitiv:
Man kann eine "Tür", die gut geformt und gut austariert ist, zum idealen Gleiter werden lassen.
Dies macht einen guten Fluggeräte-Konstrukteur aus!
Hier die Bauanleitung für den "walkalong glider" für alle zum Nachbauen: https://www.youtube.com/watch?v=fA7hYe1ft1E

Zum Vortrieb beim stationären Gleitflug, für alle die nicht klicken wollen: https://de.wikipedia.org/wiki/Gleitflug

Der Gleitflug ist das Fliegen in der Luft, bei dem als einziger „Antrieb“ Lageenergie (Schwerkraft) in Auftrieb und Vortrieb umgesetzt wird. Die Beobachtung des Gleitflugs bei Vögeln, Fledertieren und geflügelten Flugsamen und die Übernahme der dabei erkannten Prinzipien, z. B. bei der Profilgebung für Tragflächen ging dem Bau der ersten erfolgreichen manntragenden Gleitflugzeuge von Lilienthal ab 1891 voraus.
Der Gleitflug ist die Grundlage des Segelfluges. Jedes Flugzeug besitzt jedoch die Fähigkeit zum Gleitflug; insbesondere kann auch ein Verkehrsflugzeug nach Triebwerksausfall im Gleitflug weiterfliegen.

und ganz wichtig, dass sich folgendes endlich mal rumspricht:

Stationär ist ein Gleitflug bei konstanter Geschwindigkeit. Beim stationären Gleitflug eines Luftfahrzeugs wird die Gewichtskraft in die Kräfte gegen den Luftwiderstand und für den Auftrieb aufgeteilt (G² = W² + A²). Luftfahrzeuge wie Gleitflugzeuge, Segelflugzeuge und Hängegleiter können nur über eine abwärts gerichtete Flugbahn, bei dem der Vortrieb eine Komponente der Gewichtskraft darstellt, im stationären Gleichgewichtszustand bleiben. Sie setzen ihre potenzielle Energie (Höhe) in kinetische Energie um, was eine Vorwärtsbewegung ermöglicht.

Und auf die ewige "Warum-Frage" zur Abwechselung mal die Faustische Antwort, nachdem der Autor schon erwähnt wurde:

Bilde mir nicht ein, was Rechts zu wissen,
Bilde mir nicht ein, ich könnte was lehren,
Die Menschen zu bessern und zu bekehren.
Auch hab' ich weder Gut noch Geld,
Noch Ehr' und Herrlichkeit der Welt;
Es möchte kein Hund so länger leben!
Drum hab' ich mich der Magie ergeben,
Ob mir durch Geistes Kraft und Mund
Nicht manch Geheimnis würde kund;
Dass ich nicht mehr mit sauerm Schweiß
Zu sagen brauche, was ich nicht weiß;
Dass ich erkenne, was die Welt
Im Innersten zusammenhält,
Schau' alle Wirkenskraft und Samen,
Und tu' nicht mehr in Worten kramen.

[Gast]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung



Allerdings sind diese Bretter sehr aufwändig profiliert, um fliegbar zu sein.

[DanMUC]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

Sehr schönes, intuitiv verständliches Argument. Am Papierflieger sieht man in der Tat, dass auch etwas ohne Tragflächenprofil fliegt - was ich freilich auch nie bestritten habe, sofern irgendwoher die Vorwärtsfahrt kommt. Den Raketenflieger wirft halt freundlicherweise jemand mit Schmackes los. Das gerade, schwere Brett mit Leinen dran - naja...

https://www.youtube.com/watch?v=t2sozrof3HY

[Gast]

AW: Bedeutung des Flügelprofils für Auftrieb und Leistung

Der Text von Felix Schaller ist schon sehr eigenwissenschaftlich. Er nennt Coanda "Conada" und versteht überhaupt die Erklärung von Druck als statistische Größe der Brownschen Teilchenbewegung nicht.
Er schreibt:

Der einem jeden Wirbel zu Grunde liegenden Unterdruck zur zentripetalen Ablenkung der darin kreisenden Strömungspartikel, bildet auch die Ursache für den Unterdruck an umströmten konvexen Flächen. Weiterhin entsteht durch einen Wirbel die Möglichkeit, Richtungsimpuls in Drehimpuls umzuwandeln. Durch die dadurch resultierte Trägheit kann damit letztendlich Energie in Masse umgewandelt werden.

Haarsträubend. Natürlich wandelt kein Wirbel Energie in Masse, außer im Stelleratorplasma, wo Masse in Energie verwandelt wird. Was Schaller macht, ist eine eigene Kraft herzuleiten, die unabhängig von Druckverhältnissen wirkt. Das ist Esoterik.

Insgesamt hatten wir diese Situation im Forum schön öfter, dass wir verständliche, vereinfachende Beschreibungen für die Aerodynamik suchen, aber Falsche, dem Verständnis Unzuträgliche geliefert werden. Letztlich ist die Aerodynamik mit den Navier-Stokes Gleichungen zu 100% beschrieben und mathematisch verstanden. Allerdings hilft es dem Verständnis von Aerodynamik nichts, wenn man schlicht #NavierStokes sagt. Das ist dann bloß ein Verweis. Verstehen heißt ja auch korrekte Vorhersagen treffen zu können und funktionierende Geräte bauen zu können.
Ich kann das nicht und bin immer wieder erstaunt über aerodynamische Effekte, wie eben den mit der Kante. Und - was hier die Ausgangsfrage war - wie es die Single Skins mit sehr dünnen stark gewölbten Profilen schaffen, so viel Auftrieb zu erzeugen.

Offensichtlich wurde früher einmal Bernoulli als vollständige Erklärung des Auftriebs gelehrt. Das war falsch. Das heißt aber nun nicht, dass es keinen Bernoulli Effekt gibt, der Auftriebserzeugung beschreibt. Der Punkt ist: Bernoulli ist ja keine eigene Kraft, sondern nur eine Beschreibung , warum in der Luftmasse unterschiedliche Druckverhältnisse entstehen, die zur Luftmassenbewegung und damit zu einer Kraftwirkung führen. Vielleicht ist auch schon der Begriff "Auftrieb wird erzeugt" das Problem. Denn in gleichem Masse wird Luftabtrieb "erzeugt".