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