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Formelsammlung - Heide-im-netz.de

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Strömungsmechanik-<strong>Formelsammlung</strong><br />

0. Wi<strong>de</strong>rstand umströmter Körper<br />

0.1 Grenzschicht<br />

0.2 Wi<strong>de</strong>rstand<br />

l<br />

∫<br />

l<br />

∫<br />

W = 2 b p tanϕ dx + 2 b τ dx W (nur für Symmetrische Profile)<br />

0 0<br />

Wi<strong>de</strong>rstandsbeiwert:<br />

W<br />

c W<br />

=<br />

ρ 2<br />

⋅ v∞<br />

⋅ b ⋅ l<br />

2<br />

(projizierte Fläche)<br />

F G<br />

= Acos χ<br />

Druckbeiwert:<br />

p − p<br />

c ∞<br />

= p ρ<br />

⋅ v<br />

2<br />

∞<br />

2<br />

=<br />

p − p<br />

q<br />

∞<br />

∞<br />

Auftriebsbeiwert:<br />

c A<br />

A<br />

=<br />

ρ 2<br />

⋅ v∞<br />

⋅ S<br />

2<br />

v<br />

∞<br />

=<br />

2F<br />

G<br />

ρ ⋅ S ⋅ c<br />

A<br />

Reibungsbeiwert:<br />

τ<br />

W<br />

c<br />

f<br />

=<br />

ρ<br />

⋅ v<br />

2<br />

2<br />

∞<br />

1<br />

⎛ x ⎞<br />

cW = 2∫<br />

c<br />

p<br />

tanϕ<br />

d⎜<br />

⎟ + 2<br />

⎝ l ⎠<br />

0<br />

ohne Reibung: c = 0<br />

W<br />

1<br />

∫<br />

0<br />

⎛ x ⎞<br />

c<br />

f<br />

d⎜<br />

⎟<br />

⎝ l ⎠<br />

mit Reibung: c ≈ 10%;<br />

Re<br />

≈ 90%<br />

WDruck<br />

c W<br />

ibung<br />

0.3 Wi<strong>de</strong>rstand <strong>de</strong>r längs angeströmten Platte<br />

⎛ k<br />

s ⎞<br />

Rohrströmung: λ = f ⎜Re,<br />

⎟ für Re >10 4 :<br />

⎝ d ⎠<br />

⎛ k<br />

s ⎞<br />

Ebene Platte: cW = g⎜Re,<br />

⎟<br />

⎝ l ⎠<br />

ρ ⋅ v∞<br />

⋅ l<br />

Re =<br />

η<br />

Re<br />

krit<br />

v∞<br />

⋅ l<br />

=<br />

ν<br />

v ⋅ x<br />

.<br />

= ∞ u<br />

= 5⋅10<br />

ν<br />

5<br />

1


laminare Strömung: Re ≤ Re<br />

krit.<br />

laminar/turbulente Strömung: Re ≥ Re<br />

krit.<br />

turbulente Strömung:<br />

7<br />

Re ≥ 2 ⋅10<br />

turbulente Strömung mit künstl.<br />

Rauigkeit <strong>im</strong> Nasenbereich:<br />

Re ≤ 2 ⋅10<br />

7<br />

cW<br />

=<br />

W<br />

ρ 2<br />

⋅ v ⋅<br />

2<br />

∞ 2<br />

⋅b<br />

⋅ l<br />

(be<strong>netz</strong>te Fläche)<br />

c<br />

= 2 ⋅<br />

W<br />

c W<br />

0.4 Ablösung<br />

Druckanstieg bzw. Verzögerung kann zur Ablösung führen, was wie<strong>de</strong>rum <strong>de</strong>n<br />

Wi<strong>de</strong>rstand erhöht. Laminare Strömungen verstärkt.<br />

0.5 Kugelumströmung<br />

W<br />

c W<br />

=<br />

ρ 2 π<br />

⋅ v∞<br />

⋅ ⋅ d<br />

2 4<br />

v∞<br />

⋅ d<br />

Re =<br />

ν<br />

2<br />

c W<br />

= f (Re) c W sinkt mit steigen<strong>de</strong>n Re<br />

v ⋅ d v ⋅ d<br />

Re =<br />

1 1 2 2<br />

1<br />

= = Re<br />

2<br />

ν<br />

1<br />

ν<br />

2<br />

-lam : Re < 4*10 5<br />

c W =0.4<br />

-turb.: Re>4*10 5<br />

c W =0.2<br />

Ablösung <strong>de</strong>r Grenzschicht:<br />

inkompressible Strömungen: Ma ≤ 0, 3<br />

kompressible Strömungen: Ma ≥ 0, 3<br />

Windkanalmo<strong>de</strong>lltechnik:<br />

Re<br />

M<br />

= Re<br />

O<br />

⇒ c = c<br />

WM<br />

WO<br />

MaM ≥ Ma O<br />

2


η<br />

η<br />

⎛<br />

= ⎜<br />

⎝<br />

T<br />

T<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

1.5<br />

T<br />

⋅<br />

T<br />

bez.<br />

⎜ ⎟<br />

bez . bez.<br />

+<br />

+ S<br />

S<br />

1. Aerostatik<br />

1.1 Grundgleichungen<br />

Sutherlandzahl:<br />

S = 111K<br />

für Luft<br />

T bez .<br />

= 273K<br />

η<br />

bez. = 1,73⋅10<br />

−5<br />

Ns<br />

2<br />

m<br />

Grundgleichung <strong>de</strong>r Hydrostatik :<br />

p =<br />

p =<br />

p<br />

p<br />

0<br />

0<br />

+ ρ ⋅ g ⋅ h<br />

− ρ ⋅ g ⋅ z<br />

mit<br />

p<br />

0<br />

5<br />

= 1.013⋅10<br />

Pa<br />

kg<br />

ρ = 1.225<br />

3<br />

m<br />

Grundgleichung <strong>de</strong>r Aerostatik:<br />

dp<br />

dz<br />

= −ρ<br />

( z)<br />

⋅ g<br />

Zustandsgleichung:<br />

ρ ( z)<br />

=<br />

p(<br />

z)<br />

R ⋅T<br />

( z)<br />

1.2 Isotherme Atmosphäre (11.000m


ρ(<br />

z)<br />

ρ<br />

0<br />

⎡ κ −1<br />

= ⎢1<br />

− ⋅<br />

⎣ κ<br />

z<br />

H<br />

0<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎦<br />

κ −1<br />

κ<br />

T ( z)<br />

T<br />

0<br />

⎡ κ −1<br />

= ⎢1<br />

− ⋅<br />

⎣ κ<br />

z<br />

H<br />

0<br />

⎤<br />

⎥<br />

⎦<br />

Diese 3 Gleichungen mit <strong>de</strong>m Polytropenexponenten n=1.235.<br />

1.4 Standardatmosphäre (0


2.3 Grundgleichungen für isentrope Strömungen<br />

a)Kontinuitätsgleichung<br />

m&<br />

= ρ ⋅ v ⋅ A<br />

m&<br />

1<br />

= m&<br />

2<br />

b)Energiesatz<br />

v<br />

2<br />

2<br />

1<br />

p1<br />

+ + c<br />

ρ<br />

1<br />

v<br />

⋅T<br />

1<br />

v<br />

=<br />

2<br />

2<br />

2<br />

p2<br />

+<br />

ρ<br />

2<br />

+ c<br />

v<br />

⋅T<br />

2<br />

ohne Reibung und Energiezufuhr, inkompressibel<br />

U<br />

Luft:<br />

p<br />

h = + cv<br />

⋅T<br />

2<br />

2<br />

ρ Enthalpie v1<br />

v2<br />

+ c<br />

p<br />

⋅T1<br />

= + c<br />

p<br />

⋅T<br />

2 2<br />

2<br />

h = c ⋅T<br />

c<br />

c<br />

v<br />

p<br />

p<br />

2<br />

m ⎡ Nm ⎤<br />

= 717.5 mit<br />

2<br />

s K<br />

⎢<br />

kgK<br />

⎥ κ = 1.4<br />

⎣ ⎦<br />

2<br />

2<br />

m<br />

m<br />

= 1004.5 mitR = 287<br />

2<br />

2<br />

s K<br />

s K<br />

⇒ kompressibel, innere Energie<br />

c<br />

p<br />

κ = R = c p<br />

− cv<br />

c<br />

v<br />

c p<br />

κ<br />

= ⋅ R<br />

κ −1<br />

c v<br />

1<br />

= ⋅ R<br />

κ −1<br />

Isentropengleichung:<br />

p<br />

1<br />

p<br />

κ =<br />

2<br />

κ<br />

ρ1<br />

ρ<br />

2<br />

2.4 Ausströmen aus einem Kessel<br />

κ −1<br />

1<br />

T 1<br />

⎛ p ⎞ κ<br />

ρ ⎛ p ⎞ κ ρ<br />

0<br />

2<br />

= ⎜<br />

⎟<br />

⎛ κ −1<br />

⎞ κ −<br />

= → = ⎜1+<br />

⎟<br />

1<br />

T0<br />

p ⎜<br />

⎟<br />

Ma<br />

0<br />

ρ<br />

0<br />

p0<br />

ρ ⎝ 2 ⎠<br />

⎝<br />

⎠<br />

⎝<br />

⎠<br />

5


v<br />

v<br />

max<br />

=<br />

⎛<br />

1−<br />

⎜<br />

⎝<br />

p<br />

p<br />

0<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

κ −1<br />

κ<br />

T<br />

T<br />

0<br />

⎛ κ −1<br />

= ⎜1+<br />

Ma<br />

⎝ 2<br />

2<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

Ma =<br />

⎡<br />

2 ⎢⎛<br />

⎢<br />

⎜<br />

κ −1<br />

⎢<br />

⎝<br />

⎣<br />

p<br />

p<br />

0<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎛ κ −1<br />

−⎜<br />

⎝ κ<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎤<br />

−1<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥⎦<br />

p<br />

p<br />

0<br />

⎛ κ −1<br />

= ⎜1+<br />

Ma<br />

⎝ 2<br />

2<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

κ<br />

κ1<br />

v<br />

1<br />

=<br />

v = v<br />

2c<br />

max<br />

p<br />

=<br />

( T − T )<br />

0<br />

1<br />

2c<br />

T<br />

p<br />

0<br />

Unterschallbereich; κ=1.4; T=0K (Vakuum)<br />

Für <strong>de</strong>n krit. Zustand Ma=1 gilt mit<br />

* * *<br />

p ; ρ ; T folgen<strong>de</strong>s:<br />

p<br />

p<br />

*<br />

0<br />

= 0.528<br />

*<br />

ρ<br />

ρ<br />

0<br />

= 0.634<br />

T<br />

T<br />

*<br />

0<br />

= 0.833<br />

1<br />

1<br />

*<br />

⎛<br />

ρv<br />

A ⎛ κ + 1⎞<br />

κ −1<br />

⎛ p ⎞ κ<br />

κ + 1⎜<br />

⎛<br />

= = ⎜ ⎟ ⋅<br />

⎜<br />

⎟ ⎜1−<br />

⎜<br />

*<br />

ρ v A ⎝ 2 ⎠ ⎝ p0<br />

⎠ κ −1⎜<br />

⎝<br />

⎝<br />

p<br />

p<br />

0<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

κ −1<br />

κ<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

Unterschallströmung:<br />

Überschallströmung:<br />

Dichteän<strong>de</strong>rung gering<br />

Dichteän<strong>de</strong>rung rel. Hoch<br />

3. Impulssatz<br />

3.1 Kontinuitätsgleichung<br />

dm&<br />

= ρ ⋅ v<br />

n<br />

⋅<br />

dA<br />

Newton´sches Grundgesetz<br />

r r r<br />

m ⋅ a = = Γ<br />

d<br />

dt<br />

∑<br />

F i<br />

r r r<br />

J = ∫ ρ ⋅ v ⋅ dQ = F<br />

k<br />

3.2 Impulssatz<br />

∫<br />

A<br />

r r<br />

ρ ⋅ v ⋅ dQ = F<br />

k<br />

r<br />

+ F<br />

p<br />

r<br />

+ F<br />

s<br />

= −ρ<br />

⋅ v<br />

2<br />

⋅ A<br />

6


a)Volumenkraft<br />

r r<br />

F = kdV<br />

k<br />

∫<br />

V<br />

F r<br />

k<br />

Schwerefeld<br />

r<br />

k = ρg<br />

b)Druckkraft auf <strong>de</strong>n freien Teil <strong>de</strong>r Kontrollfläche F r<br />

r r<br />

F pdA<br />

= A p − p )<br />

p<br />

= −∫<br />

A<br />

c)Stützkraft<br />

r r<br />

= sdO<br />

F s<br />

∫<br />

0<br />

F r<br />

s<br />

d)Reaktionskraft<br />

r r<br />

F R<br />

= −F s<br />

Γ =<br />

∫<br />

C<br />

F r<br />

R<br />

r r<br />

vds<br />

= ( v v )t<br />

2 y<br />

−<br />

1y<br />

F p<br />

Spannungsvektor<br />

(<br />

0<br />

r r r<br />

s = − pe n<br />

+ τ e<br />

p<br />

W<br />

t<br />

F<br />

Ry<br />

= −Γρ bv F R<br />

= Γbρ v∞<br />

Auftriebssatz von Kutta Joukowsky<br />

∞x<br />

W R<br />

δ<br />

v y ⎛ v y<br />

bv<br />

dy<br />

v v ⎟ ⎞<br />

= 2 ( ) ( )<br />

ρ ∞∫<br />

⎜1<br />

−<br />

0 ∞ ⎝ ∞ ⎠<br />

1<br />

7<br />

⎛ y ⎞<br />

v ( y)<br />

= v ∞ ⎜ ⎟ 1/7 Potenzgesetz für turbulente Grenzschicht<br />

⎝ δ ⎠<br />

4. Ebene, reibungslose, inkompressible Strömung<br />

4.1 Kontinuitätsgleichung<br />

∂vx<br />

∂x<br />

∂v<br />

y<br />

+<br />

∂y<br />

= 0<br />

4.2 Impulsgleichung<br />

⎛<br />

⎜v<br />

⎝<br />

⎛<br />

⎜v<br />

⎝<br />

x<br />

x<br />

∂vx<br />

+ v<br />

∂x<br />

∂v<br />

y<br />

∂x<br />

+ v<br />

y<br />

y<br />

∂vx<br />

⎞ ∂p<br />

⎟ρ<br />

= −<br />

∂y<br />

⎠ ∂x<br />

mit Reibung<br />

∂v<br />

y ⎞ ∂p<br />

= −<br />

y<br />

⎟ρ<br />

∂ ⎠ ∂y<br />

Euler-Gleichungen(Bewegungsgleichung)<br />

2<br />

⎛ ∂ v<br />

+ η<br />

⎜<br />

2<br />

⎝ ∂x<br />

x<br />

2<br />

∂ v<br />

+<br />

2<br />

dy<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

2 2<br />

⎛ ∂ v ⎞<br />

y<br />

∂ v<br />

y<br />

+ η⎜<br />

+ ⎟<br />

2 2<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠<br />

Navier-Stokes Gleichungen<br />

x<br />

7


4.3 Drehung<br />

1 ⎛ ∂v<br />

y ∂v<br />

⎞<br />

x<br />

1<br />

ω =<br />

⎜ −<br />

⎟ Drehung = ( ω<br />

1<br />

+ ω 2<br />

)<br />

2 ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠<br />

2<br />

ω =<br />

1<br />

d 1<br />

γ<br />

dt<br />

v<br />

x<br />

∂ω<br />

+ v<br />

∂x<br />

y<br />

∂ω<br />

= 0<br />

∂y<br />

Wirbeltransportgleichung<br />

Strömungen ohne Reibung sind drehungsfrei! Homogene Strömung<br />

4.4 Potentialströmungen(drehungsfrei)<br />

4.4.1 Potentialgleichung<br />

∂v<br />

x<br />

∂y<br />

∂v<br />

y<br />

−<br />

∂x<br />

= 0<br />

∂vx<br />

∂x<br />

∂v<br />

y<br />

+ = 0<br />

∂y<br />

Potentialfunktion φ ( x,<br />

y)<br />

∂<br />

v x<br />

= φ und<br />

∂x<br />

∂<br />

v y<br />

= φ<br />

∂y<br />

2 2<br />

∂ φ ∂ φ<br />

+ = 0<br />

2 2<br />

∂x<br />

∂y<br />

Stromfunktion ψ ( x,<br />

y)<br />

Potenzialgleichung<br />

∂<br />

v x<br />

= ψ und<br />

∂y<br />

∂<br />

v y<br />

= ψ<br />

∂x<br />

2 2<br />

∂ ψ ∂ ψ<br />

+ = 0<br />

2 2<br />

∂y<br />

dx<br />

Laplace-Gleichung<br />

4.4.2 Einige Grundlösungen <strong>de</strong>r Potentialgleichung<br />

a) Translationsströmung<br />

Φ(<br />

x;<br />

y)<br />

= v<br />

∂Φ<br />

= v<br />

∂x<br />

∞ x<br />

∞x<br />

= v<br />

⋅ x<br />

∞<br />

8


) Quellströmung<br />

E<br />

Φ(<br />

x;<br />

y)<br />

= ln<br />

2π<br />

E<br />

Φ(<br />

r)<br />

= ln( r)<br />

2π<br />

1.Ableitung<br />

E<br />

vx<br />

= ⋅<br />

2π<br />

x<br />

2<br />

E y<br />

v<br />

y<br />

= ⋅<br />

2π<br />

r<br />

2.Ableitug<br />

E<br />

v = 1<br />

2π<br />

⋅ r<br />

x<br />

+ y<br />

2 2<br />

( x + y )<br />

2<br />

Stromfunktion(beschr. von Stromlinien)<br />

E y<br />

Ψ(<br />

x;<br />

y)<br />

= ⋅ arctan<br />

2π<br />

x<br />

Q = V ⋅ A = E ⋅b<br />

E<br />

Ψ(<br />

x;<br />

y)<br />

= ⋅ϕ<br />

2π<br />

c) Potenzialwirbelströmung<br />

Γ = v ⋅ 2 ⋅ r ⋅π<br />

Γ<br />

v = siehe Beiblatt 4.11<br />

2πr<br />

d) Quell-Senkenströmung<br />

siehe Beiblatt 4.11<br />

4.4.3 Umströmung zylindrischer Körper<br />

a) Ebener Halbkörper<br />

r ( ϕ)<br />

=<br />

E<br />

2πv<br />

∞<br />

⎛π<br />

−ϕ<br />

⎞<br />

⎜ ⎟ =<br />

⎝ sinϕ<br />

⎠<br />

D ⎛π<br />

−ϕ<br />

⎞<br />

⎜ ⎟<br />

2π<br />

⎝ sinϕ<br />

⎠<br />

c p<br />

2<br />

sin 2ϕ<br />

sin ϕ<br />

( ϕ ) = − −<br />

2<br />

π −ϕ<br />

( π −ϕ)<br />

2<br />

v ( ϕ)<br />

= 1−<br />

v<br />

2<br />

∞<br />

=<br />

p(<br />

ϕ)<br />

− p<br />

ρ 2<br />

⋅ v∞<br />

2<br />

∞<br />

E<br />

c ( , )<br />

2 ⎜ 2 ⎟ p<br />

x y = − ⋅ − π ⋅ v∞<br />

r ⎝ π ⋅ v∞r<br />

⎠<br />

x<br />

⎛<br />

⎜<br />

E<br />

⎞<br />

2<br />

9


Φ(<br />

x,<br />

y)<br />

= v<br />

Ψ(<br />

x,<br />

y)<br />

= v<br />

∞<br />

∞<br />

E<br />

⋅ x + ln r<br />

2π<br />

E<br />

⋅ y + ϕ<br />

2π<br />

E x<br />

vx<br />

( x,<br />

y)<br />

= v ∞<br />

⋅<br />

2<br />

2π<br />

r<br />

E y<br />

v<br />

y<br />

( x,<br />

y)<br />

= ⋅<br />

2<br />

2π+<br />

r<br />

E<br />

D = dicke Halbkörper<br />

v<br />

∞<br />

b) Kreiszylin<strong>de</strong>r<br />

Translation und Dipol<br />

2 M<br />

R =<br />

2πv<br />

∞<br />

für die Kontur:<br />

2<br />

c ( ϕ)<br />

= 1−<br />

4sin ϕ Kreiszylin<strong>de</strong>r<br />

p<br />

9 2<br />

c<br />

p<br />

( ϕ)<br />

= 1−<br />

sin ϕ Kugel<br />

4<br />

Φ(<br />

x,<br />

y)<br />

= v<br />

Ψ(<br />

x,<br />

y)<br />

= v<br />

∞<br />

∞<br />

M ⋅ x<br />

⋅ x +<br />

2<br />

2π<br />

⋅ r<br />

M ⋅ y<br />

⋅ y −<br />

2<br />

2π<br />

⋅ r<br />

2<br />

M y − x<br />

vx<br />

( x,<br />

y)<br />

= v ∞<br />

+ ⋅<br />

4<br />

2π<br />

r<br />

M 2 ⋅ x ⋅ y<br />

v<br />

y<br />

( x,<br />

y)<br />

= − ⋅<br />

4<br />

2π<br />

r<br />

2<br />

M = v ⋅<br />

2 ∞<br />

R ⋅ 2π Dipolmoment<br />

c) Kreiszylin<strong>de</strong>r mit Zirkulation (Magnus-Effekt)<br />

Translation, Dipol und Potentialwirbel<br />

c p<br />

1 ⎛<br />

Γ ⎞<br />

( ϕ )<br />

sinϕ<br />

− ⎟<br />

2 π R ⎠<br />

= 1−<br />

2<br />

2<br />

⎜ v∞<br />

v∞<br />

⎝<br />

2<br />

v K<br />

1 Γ<br />

( ϕ)<br />

= 2v∞<br />

⋅ sinϕ<br />

− Geschwindigkeit auf <strong>de</strong>r Kontur<br />

2 π r<br />

Γ = −3π ( v ⋅ R)<br />

Potentialwirbelstärke (Γ ist linksrum positiv)<br />

∞<br />

A −b<br />

⋅ ρ ⋅ v ⋅ Γ Kutta Joukowsky<br />

=<br />

∞<br />

Geschwindigkeiten v x , v y , v siehe 6.5.2002 o<strong>de</strong>r Blatt 4.17<br />

10


d) Angestellte ebene Platte<br />

A greift in l/4 an<br />

c<br />

a<br />

= 2π ⋅α<br />

v<br />

α ≈ −<br />

v<br />

z<br />

∞<br />

5. Einige Ergebnisse zur Profilströmung<br />

5.1 Profilgeometrie<br />

5.2 Profilsystematiken<br />

5.3 Einfluß <strong>de</strong>s Anstellwinkels α<br />

α =<br />

⋅ Γ<br />

2 ⋅π<br />

⋅ v ⋅ l<br />

2 1<br />

2<br />

q∞<br />

= ⋅ ρ<br />

∞<br />

⋅ v∞<br />

∞<br />

2<br />

c a<br />

=<br />

q<br />

∞<br />

A<br />

⋅b<br />

⋅l<br />

= 2πα<br />

c w<br />

=<br />

W<br />

q ⋅ l ⋅ b<br />

∞<br />

c m<br />

=<br />

q<br />

∞<br />

M<br />

⋅b<br />

⋅ l<br />

2<br />

c p<br />

=<br />

p − p<br />

q<br />

∞<br />

∞<br />

5.4 Einfluß <strong>de</strong>r Wölbung<br />

<strong>im</strong> linearen Bereich<br />

dca<br />

c = ⋅ ( α −α 0<br />

)<br />

d α<br />

dc<br />

c = ⋅ c + c<br />

m<br />

a m<br />

a mo<br />

dca<br />

Profiltheorie<br />

dc ⎛ dc<br />

a m<br />

⎞ 1<br />

= 2π<br />

= −<br />

dα<br />

⎜<br />

⎟<br />

⎝ dc ⎠ 4<br />

a<br />

Nase<br />

5.5 Einfluß <strong>de</strong>r Dicke<br />

α 0 ,c m0 ,dc a /dα,dc m /dc a bleiben von <strong>de</strong>r Dicke unbeinflußt<br />

c w , c a,max verän<strong>de</strong>rn sich(Reibung)<br />

11


5.6 Einfluß <strong>de</strong>r Reynoldszahl<br />

5.7 Einfluß <strong>de</strong>r Machzahl<br />

Ma ≤ 0.3 inkompressibel<br />

∞<br />

c<br />

pinkompr.<br />

c<br />

p<br />

=<br />

analog dazu c<br />

kompr.<br />

akompr: und (dc a /dα) kompr.<br />

1−<br />

Ma<br />

2<br />

∞<br />

6. Profiltheorie<br />

6.1 Skelett-Theorie<br />

p<br />

u<br />

− p<br />

o<br />

= ρ ⋅ v ⋅ k(x)<br />

k ( x = l)<br />

= 0 Kutta´sche Abflußbedingung<br />

∞<br />

dz<br />

dx<br />

( s)<br />

l<br />

1 k(<br />

x′<br />

) dx′<br />

v<br />

= α −<br />

v<br />

∫ Grundgleichung <strong>de</strong>r Skelett-Theorie ( = α + z<br />

)<br />

2π<br />

x − x′<br />

v<br />

∞<br />

0<br />

∞<br />

c<br />

p<br />

vx<br />

( x)<br />

k(<br />

x)<br />

( x)<br />

= −2<br />

= m<br />

v v<br />

∞<br />

∞<br />

A = ρ ⋅b<br />

⋅ v∞<br />

⋅ Γ<br />

Γ = ∫ k(<br />

x)<br />

dx<br />

l<br />

0<br />

Ansatz von Ackermann und Birnbaum<br />

dz<br />

dx<br />

( s)<br />

N<br />

N<br />

⎛ ϕ<br />

⎞<br />

= α − A0<br />

− ∑cos( nϕ)<br />

k( ϕ ) = 2v∞<br />

⎜ A=<br />

tan + ∑ A n<br />

sin( nϕ)<br />

⎟<br />

n=<br />

1<br />

⎝ 2 n=<br />

1 ⎠<br />

A<br />

0<br />

1<br />

= α −<br />

π<br />

π<br />

∫<br />

0<br />

( s)<br />

dz<br />

dϕ<br />

dx<br />

A<br />

2<br />

= −<br />

π<br />

π<br />

∫<br />

( s<br />

dz<br />

dx<br />

cos( nϕ<br />

dϕ<br />

n<br />

)<br />

0<br />

)<br />

Kräfte und Momente<br />

Auftriebsbeiwert<br />

⎛ A1<br />

⎞<br />

dc<br />

c = 2π<br />

⎜ A0 + ⎟ = 2π<br />

( α −α<br />

0<br />

)<br />

a<br />

a<br />

= 2π<br />

⎝ 2 ⎠<br />

dα<br />

unabh. <strong>de</strong>r Profilgeometrie<br />

c a<br />

π<br />

k<br />

= ∫<br />

v<br />

0<br />

( ϕ′<br />

)<br />

∞<br />

sinϕ′<br />

dϕ′<br />

12


c<br />

p<br />

N<br />

k(<br />

ϕ)<br />

⎛ ϕ<br />

⎞<br />

( ϕ ) = = 2⎜<br />

A tan + ∑ An<br />

sin( nϕ<br />

⎟<br />

v∞<br />

⎝<br />

)<br />

0 2 n=<br />

1 ⎠<br />

α<br />

=<br />

π<br />

(<br />

1<br />

dz s<br />

= ϕ<br />

π ∫ (1 + cos )<br />

dx<br />

0<br />

)<br />

dϕ<br />

Nickmomentenbeiwert<br />

π<br />

c π<br />

1<br />

c<br />

m.<br />

Nase<br />

= −<br />

0 1 2<br />

1 2<br />

+<br />

4<br />

4 4<br />

4<br />

a<br />

( 2A<br />

+ 2A<br />

+ A ) = − − ( A + A ) = − ca<br />

cmo<br />

dc<br />

m,<br />

Nase<br />

dc<br />

a<br />

1<br />

= −<br />

4<br />

geometrieunabhängig<br />

( A A )<br />

c m 0<br />

= −<br />

π<br />

1<br />

+<br />

4<br />

2<br />

Angestellte ebene Platte (beschreibt Symmetrisches Profil, Auftriebserzeugung)<br />

( )<br />

( ) dz s<br />

z s ( x)<br />

= 0 = 0<br />

dx<br />

ϕ<br />

k ( ϕ)<br />

= 2v∞<br />

⋅α<br />

⋅ tan( )<br />

2<br />

A = α A = 0 α 0 c 0<br />

0<br />

c p<br />

x<br />

1−<br />

( x)<br />

= 2α<br />

l<br />

x<br />

l<br />

n<br />

m OBEN<br />

UNTEN<br />

0<br />

=<br />

m0<br />

=<br />

Parabelskelett ohne Anstellwinkel<br />

f ⎛ x ⎞<br />

x)<br />

= −4<br />

⎜ − x<br />

⎟<br />

l ⎝ l ⎠<br />

2<br />

(<br />

z s )<br />

4 f ⎛<br />

⎜<br />

l ⎝<br />

( )<br />

( dz s ( x)<br />

= − 2 −1<br />

= −4<br />

( 1+<br />

cos ρ −1)<br />

x<br />

l<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

f<br />

l<br />

A<br />

0<br />

= 0<br />

A = 1<br />

4<br />

f<br />

l<br />

c a<br />

=<br />

f<br />

π ⋅ A = 1<br />

4π<br />

l<br />

A1<br />

α = −<br />

2<br />

0<br />

= −<br />

2<br />

f<br />

l<br />

π<br />

= − A<br />

c m Nase<br />

= −<br />

,<br />

2 1<br />

f<br />

2π<br />

l<br />

c m 0<br />

π<br />

− A<br />

4<br />

=<br />

1<br />

f<br />

= −π<br />

l<br />

13


2x<br />

⎛ 2x<br />

⎞<br />

x ⎛ x ⎞<br />

k( ϕ ) = 2v∞ A1<br />

⎜ − 2⎟<br />

k ( x)<br />

= 4v∞ ⋅ A1<br />

⎜ −1⎟ l ⎝ l ⎠<br />

l ⎝ l ⎠<br />

k(<br />

x)<br />

c p<br />

( x)<br />

= ±<br />

v<br />

∞<br />

Parabelskelett mit Anstellwinkel:<br />

c a<br />

f<br />

= 2 πα + 4π<br />

l<br />

c<br />

1<br />

= − c<br />

4<br />

f π f<br />

− π = − α 2π<br />

l 2 l<br />

m, Nase<br />

a<br />

−<br />

Anstellwinkel <strong>de</strong>s stoßfreien Eintritts:<br />

π<br />

( )<br />

1 dz<br />

α = ∫<br />

s<br />

s<br />

dρ<br />

Parabelskelett: α<br />

s<br />

= 0°<br />

π dx<br />

0<br />

Druckpunkt:<br />

Angriffspunkt <strong>de</strong>r resultieren<strong>de</strong>n Luftkraft<br />

c<br />

= −<br />

c<br />

x D m , Nase<br />

l<br />

a<br />

dc<br />

c c + c<br />

a<br />

= c ( α − )<br />

m,<br />

Nase<br />

m, Nase<br />

a m0<br />

dca<br />

a<br />

dc<br />

= d α<br />

α 0<br />

dc<br />

= −<br />

dc<br />

x D<br />

m,<br />

Nase m 0<br />

l<br />

a<br />

c<br />

−<br />

c<br />

a<br />

x dc<br />

D<br />

m,<br />

Nase<br />

Son<strong>de</strong>rfall: symmetrisches Profil c<br />

m0<br />

= 0 = − = 0.25 = const.<br />

l dc<br />

Neutralpunkt:<br />

a<br />

Druckpunkt ist fest<br />

Der Punkt, auf <strong>de</strong>n bezogen das Nickmoment unabhängig vom Anstellwinkel ist.<br />

x<br />

l<br />

N<br />

dc<br />

= −<br />

dc<br />

m,<br />

Nase<br />

a<br />

=<br />

1<br />

4<br />

c<br />

mN<br />

= c m0<br />

14


Klappenflügel (geknickte Platte):<br />

Klappentiefenverhältnis:<br />

lk<br />

l − xk<br />

xk<br />

λ<br />

k<br />

= = = 1−<br />

kleine η k cos η<br />

k<br />

= 1<br />

l l l<br />

Bereich 1:<br />

0 ≤ x ≤ x k<br />

π ϕ ≥ ϕ<br />

k<br />

Bereich 2:<br />

x k<br />

≤ x ≤ l ≥ ϕ ≥ 0<br />

( )<br />

dz s<br />

≥ = 0<br />

dx<br />

dz<br />

dx<br />

( s)<br />

ϕ k<br />

= − tanηk<br />

= −η<br />

k<br />

A<br />

ϕ<br />

k<br />

k ⎛ ⎞<br />

0<br />

= α + ηk<br />

An<br />

= ⎜ sin nϕ<br />

k ⎟<br />

⎠<br />

π<br />

2η<br />

1<br />

π ⎝ n<br />

c A<br />

( λ k<br />

+ λ k<br />

( − λ k<br />

)) η k<br />

= 2 πα + 4 arcsin 1<br />

Klappenwirksamkeit bzgl. c a<br />

∂c a<br />

= 4<br />

∂η<br />

k<br />

( arcsin λ + λ ( 1−<br />

λ ))<br />

k<br />

k<br />

k<br />

λ → 0<br />

k<br />

λ → 1<br />

k<br />

∂c<br />

∂η<br />

∂c<br />

a<br />

k<br />

a<br />

∂η<br />

k<br />

= 0<br />

= 2π<br />

Nullauftriebswinkel α 0<br />

2<br />

α<br />

0<br />

= − arcsin λ k<br />

+ λ k<br />

1−<br />

λ k<br />

π<br />

( ( )) η k<br />

Nullmomentenbeiwert c m0<br />

2η<br />

k<br />

An<br />

= sinϕ<br />

k<br />

π<br />

c m 0<br />

= −<br />

π 2η<br />

k<br />

( A1<br />

+ A2<br />

) A1<br />

= sinϕ<br />

k<br />

=<br />

4<br />

π<br />

ηk<br />

A2<br />

= sin 2ρ<br />

k<br />

π<br />

cos ϕ −2λ<br />

+ 1<br />

k<br />

=<br />

k<br />

2η<br />

k<br />

2<br />

π<br />

λ (1 − λ<br />

k<br />

k )<br />

c<br />

dc<br />

c = c + c<br />

3<br />

m<br />

m0 = −2 λk<br />

(1 − λk<br />

) ηk<br />

m<br />

a m0<br />

dca<br />

15


Klappenwirksamkeit bzgl.c m0<br />

dc<br />

dη<br />

m0<br />

k<br />

= −<br />

λ (1 − λ )<br />

2<br />

k k<br />

3<br />

λ → 0<br />

k<br />

λ → 1<br />

k<br />

∂c<br />

∂c<br />

m0<br />

∂η<br />

k<br />

m0<br />

∂η<br />

k<br />

= 0<br />

= 0<br />

Druckverteilung<br />

c<br />

p<br />

mit<br />

c<br />

p<br />

N<br />

k ⎡ ϕ<br />

= ± = ± ⎢A<br />

tan + ∑ A<br />

v∞<br />

⎣ 2 n=<br />

1<br />

A<br />

⎤<br />

sin( nϕ<br />

⎥<br />

⎦<br />

)<br />

0 n<br />

ϕ<br />

k<br />

k<br />

0<br />

= α + ηk<br />

und An = sin( nϕ)<br />

π<br />

2η<br />

nπ<br />

⎡ ϕ ϕ<br />

k ϕ 2η<br />

k<br />

1−<br />

cos( ϕ<br />

k<br />

+ ϕ)<br />

⎤<br />

= ± ⎢2α<br />

tan + 2 ηk<br />

tan + ln<br />

⎥<br />

⎣ 2 π 2 2π<br />

1−<br />

cos( ϕ<br />

k<br />

−ϕ)<br />

⎦<br />

6.2 Tropfentheorie<br />

Randbedingungen:<br />

kinematische Strömungsbedingung<br />

Konturgeschwindigkeit<br />

l ( t)<br />

vk<br />

( x)<br />

1 dz dx′<br />

= 1+<br />

v<br />

∫<br />

dx′<br />

( x − x′<br />

∞<br />

π<br />

)<br />

0<br />

nicht für Staupunkt und v x , v y


Son<strong>de</strong>rfall Kreis o<strong>de</strong>r Kreiszylin<strong>de</strong>r mit δ = 1<br />

v k<br />

ϕ)<br />

= 2v<br />

sinϕ Potentialtheorie<br />

(<br />

∞<br />

2v∞<br />

v k<br />

( ϕ)<br />

= = 2v∞<br />

sinϕ<br />

Tropfentheorie<br />

2<br />

1+<br />

cot ϕ<br />

7. Tragflügelströmungen<br />

7.1 Geometrie<br />

Bezugspunkt ist <strong>de</strong>r geometrische Neutralpunkt N 25<br />

7.2 Wirbelgleichungen <strong>de</strong>r Fluidmechanik<br />

Die Zirkulation eines Wirbelfa<strong>de</strong>ns ist konstant.<br />

Kutta-Joukowsky<br />

Biot-Savart<br />

Γ<br />

A = ρ ⋅b<br />

⋅ v∞<br />

⋅ Γ<br />

v z<br />

= ( cosϕ1 − cosϕ<br />

2<br />

) alles positiv!<br />

4πy<br />

Γ<br />

v z<br />

= ( cosϕ1 + 1)<br />

4πy<br />

einseitig unendlich langer Wirbelfa<strong>de</strong>n<br />

8. Der ungepfeilte Flügel großer Streckung (λ>5)<br />

8.1 Wirbelmo<strong>de</strong>ll<br />

α = α + α<br />

g<br />

e<br />

i<br />

α ( y)<br />

e<br />

=<br />

c ( y)<br />

a<br />

2π<br />

Induzierter Wi<strong>de</strong>rstand<br />

2<br />

c<br />

A<br />

c<br />

wi<br />

= spez. Ellipse<br />

π Λ<br />

c<br />

wi<br />

2<br />

c<br />

A<br />

= eπΛ<br />

allgemein(mit e


18<br />

Prandtl´sche Umrechnungsformel<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

Λ<br />

−<br />

Λ<br />

+<br />

=<br />

1<br />

2<br />

1<br />

2<br />

1<br />

1<br />

π<br />

α<br />

α<br />

A<br />

g<br />

g<br />

c<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

Λ<br />

−<br />

Λ<br />

+<br />

=<br />

1<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2<br />

1<br />

1<br />

π<br />

A<br />

w<br />

w<br />

c<br />

c<br />

c

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