Aerodynamik

Wirbelschleppe, ein aerodynamischer Effekt

Aerodynamik (von altgriechisch ἀήρ aer, Luft, und δύναµις dynamis, Kraft) ist Teil der Fluiddynamik (Strömungslehre) und beschreibt das Verhalten von Körpern in Luft oder kompressiblen Gasen, bei letzteren spricht man auch von Gasdynamik. Das zweite Teilgebiet der Fluiddynamik, die Hydrodynamik, behandelt dagegen Flüssigkeiten.

Die Aerodynamik beschreibt die Kräfte, wie den dynamischen Auftrieb, die es beispielsweise Flugzeugen ermöglichen, zu fliegen oder Segelschiffen, mit Hilfe des Windes durchs Wasser zu segeln. Viele weitere Bereiche der Technik, wie zum Beispiel das Bauingenieurwesen oder der Fahrzeugbau, müssen sich mit der Aerodynamik auseinandersetzen.

Spezialgebiete

Die Aerodynamik ist ein Untergebiet der Strömungslehre (auch Fluiddynamik) und enthält mehrere Spezialbereiche, die sich auf verschiedene Schwerpunkte spezialisiert haben:

  • Tragflügeltheorie: Bewegungen eines Flügels in dichtem Gas
  • Raumfahrtaerodynamik: Dieses Gebiet befasst sich mit der Aerodynamik bei Flug und Wiedereintritt von Raumflugkörpern
  • Überschallaerodynamik: Flugkörper, die sich schneller als der Schall bewegen (Mach 1 bis Mach 3)
  • Hyperschallaerodynamik: Flugkörper, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit in dichten Gasen bewegen (Mach 3+)
  • Grenzschichttheorie: Es wird die eng anliegende Schicht im Nahbereich um Körper herum betrachtet
  • Aerodynamik der Turbinen und der Windturbinen
  • Physik des Segelns: Bei der Konstruktion eines Segelschiffes müssen die Strömungsverhältnisse um das Segel und die Hydrodynamik des Rumpfes bedacht werden.

Theoretische Modelle

Strömung um einen Tragflügel. Diese inkompressible Strömung genügt den Euler-Gleichungen.

Das umfassendste Modell sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Es handelt sich hierbei um ein System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung, die ein newtonsches Fluid komplett beschreiben. Insbesondere sind auch Turbulenz und die hydrodynamische Grenzschicht enthalten.

Ein einfacheres Modell sind die Euler-Gleichungen, die aufgrund der vernachlässigten Reibung die Grenzschicht nicht abbilden und auch keine Turbulenz enthalten, womit beispielsweise ein Strömungsabriss nicht über dieses Modell simuliert werden kann. Dafür sind wesentlich gröbere Gitter geeignet, um die Gleichungen sinnvoll zu lösen. Für diejenigen Teile der Strömung, in denen die Grenzschicht keine wesentliche Rolle spielt, sind die Euler-Gleichungen dagegen sehr gut geeignet.

Die Potentialgleichungen schließlich sind vor allem nützlich, wenn grobe Vorhersagen gemacht werden sollen. Bei ihnen wird die Entropie als konstant vorausgesetzt, was bedeutet, dass keine starken Schockwellen auftreten können, da an diesen die Entropie sogar unstetig ist.

Anwendung

Heutzutage findet die aerodynamische Auslegung von Flug- und Fahrzeugen überwiegend am Computer statt. Von großer Bedeutung ist die numerische Strömungssimulation (CFD), bei der durch computergestützte Verfahren mit entsprechendem Rechenaufwand gute Näherungen für reale Strömungsvorgänge erzielt werden können. Für viele Anwendungen sind aufgrund der Komplexität der auftretenden Phänomene Messungen in Windkanälen notwendig, um die Auslegung zu verifizieren.

Literatur

  • John D. Anderson: A history of aerodynamics – and its impact on flying machines. Cambridge University Press, Cambridge 2000, ISBN 0-521-45435-2
  • Cameron Tropea: Aerodynamik I & II, Forschungsberichte Strömungslehre und Aerodynamik, Shaker, Aachen 2004, ISBN 3-8322-3255-9
  • Theodore von Kármán: Aerodynamik – ausgewählte Themen im Lichte der historischen Entwicklung. Interavia, Genf 1956
  • Ludwig Prandtl: Vier Abhandlungen zur Hydrodynamik und Aerodynamik. Selbstverlag der Aerodynamischen Versuchsanstalt, Göttingen 1944.
  • John D. Anderson: Fundamentals of aerodynamics. McGraw-Hill, Boston 2007, ISBN 978-0-07-125408-3
  • Reinhard Kutter: Flugzeug Aerodynamik – technische Lösungen und struktureller Aufbau. Motorbuch, Stuttgart 1990, ISBN 3-87943-956-7
  • John J. Bertin, Russell M. Cummings: Aerodynamics for engineers. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ 2009, ISBN 978-0-13-235521-6
  • Rose McCallen: The aerodynamics of heavy vehicles – trucks, buses, and trains. Springer, Berlin 2004, ISBN 978-3-540-22088-6
  • Alois P. Schaffarczyk: Introduction to Wind Turbine Aerodynamics. Springer, Berlin, 2014, ISBN 978-3-642-36408-2
  • Czesław A. Marchaj: Aerodynamik und Hydrodynamik des Segelns. Delius Klasing, Bielefeld 1991, ISBN 3-7688-0729-0
  • J. Gordon Leishman: Principles of helicopter aerodynamics. Cambridge University Press, Cambridge 2000, ISBN 0-521-66060-2

Weblinks

Commons: Aerodynamik – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Aerodynamik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

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Airplane vortex edit.jpg
Wake Vortex Study at Wallops Island
The air flow from the wing of this agricultural plane is made visible by a technique that uses colored smoke rising from the ground. The swirl at the wingtip traces the aircraft's wake vortex, which exerts a powerful influence on the flow field behind the plane. Because of wake vortex, the Federal Aviation Administration (FAA) requires aircraft to maintain set distances behind each other when they land. A joint NASA-FAA program aimed at boosting airport capacity, however, is aimed at determining conditions under which planes may fly closer together. NASA researchers are studying wake vortex with a variety of tools, from supercomputers, to wind tunnels, to actual flight tests in research aircraft. Their goal is to fully understand the phenomenon, then use that knowledge to create an automated system that could predict changing wake vortex conditions at airports. Pilots already know, for example, that they have to worry less about wake vortex in rough weather because windy conditions cause them to dissipate more rapidly.
Flow around a wing.gif
Autor/Urheber: Thierry Dugnolle, Lizenz: CC0
Reibungsfreie, inkompressible Strömung um einen Tragflügel, berechnet mit der Joukowski-Transformation. Die Blaustufungen repräsentieren den Druck (je dunkler desto höher).