Ist eine Golfballoberfläche eine gute Idee für Flügel oder Rumpf?

Golfball hat Grübchen auf seiner Oberfläche, weil wir eine turbulente Grenzschicht wollen. Golfball ist ein stumpfer Körper (dh der Luftwiderstand wird vom Druckwiderstand dominiert). Daher wird der Widerstand an einer Kugel durch die Trennung auf der Rückseite dominiert. Wenn wir das minimieren könnten, würde der Luftwiderstand reduziert.

Die folgende Abbildung zeigt die Variation des Widerstandsbeiwerts einer Kugel mit der Reynolds-Zahl.

Bild von wfis.uni.lodz.pl, entnommen aus (Hoerner 1965)

Wie zu sehen ist, verringert sich der Luftwiderstand bei der kritischen Reynolds-Zahl, die der Punkt ist, an dem eine Trennung stattfindet. Aufgrund der Trennung wird der Nachlauf im hinteren Teil der Kugel (oder des Balls) reduziert, was den Luftwiderstand verringert. Wenn also die Grenzschicht einer Kugel bei einer niedrigeren Reynolds-Zahl (auf irgendeine Weise) turbulent gemacht werden kann, sollte der Luftwiderstand infolge des verringerten Nachlaufs auch bei dieser Reynolds-Zahl sinken. Dies ist im folgenden Bild zu sehen, wo die Strömung mit einem Stolperdraht turbulent gemacht wurde.

Strömung über eine Kugel: (a) Reynolds-Zahl = 15.000; (b) Reynolds-Zahl = 30.000, mit Stolperdraht. Bild von princeton.edu

Das ist der Zweck von Grübchen in einem Golfball - um den Luftwiderstand zu verringern, indem Turbulenzen hervorgerufen und die Trennung verzögert werden (dies kann durch Erhöhen der Reynolds-Zahl erreicht werden, aber wir sind durch die Ballgeschwindigkeit begrenzt). Der resultierende Nachlauf ist aufgrund der verzögerten Trennung viel kleiner.

Bei einer stromlinienförmigen Form (wie Flugzeugflügel) ist der Anteil des Druckwiderstands klein, wie unten zu sehen ist.

Bild von pilotfriend.com

Bei stromlinienförmigen Formen ist der Druckwiderstand gering, da der Nachlauf klein ist. Das Nettoergebnis ist, dass das „Auslösen“ der Grenzschicht wie bei stumpfen Körpern keine gute Idee ist (eine laminare Strömung verursacht weniger Reibungswiderstand als eine turbulente).

Die Flugzeuge verwenden über den Vortex-Generator ähnliche Vorrichtungen, die hauptsächlich dazu dienen, die Strömungsablösung zu verzögern.

Ja, die Frage ist berechtigt!

Kurze Antwort

Es hängt von der Größe und Geschwindigkeit des Flugzeugs ab. Ein Verkehrsflugzeug ist zu groß und fliegt zu schnell, um von einer genoppten Oberfläche zu profitieren. Das Grübchen der Oberfläche würde den Luftwiderstand tatsächlich erhöhen. Aber etwas "Dimpling" hilft beim Maßstab von Modellflugzeugen.

Erläuterung

Es kommt auf den Strömungszustand an der Stelle an, an der die Strömung abreißt . In ruhiger Luft beginnt jede Grenzschicht als laminare Grenzschicht. Da die Energieübertragung über die geschichtete Strömung in der laminaren Grenzschicht auf Scherung reduziert wird, verlieren die Moleküle nahe der Wand schnell an Geschwindigkeit, so dass selbst bei einem mäßigen Druckanstieg stromabwärts schnell eine Trennung eintritt.

Innerhalb der laminaren Grenzschicht werden kleine Störungen immer weniger gedämpft, je höher die lokale Reynolds-Zahl wird, und bei einer Reynolds-Zahl von etwa 400.000 in unbeschleunigter Strömung werden einige Frequenzen instabil (siehe Tollmien-Schlichting-Wellen ) und erzeugen schließlich so viel Kreuz Bewegung, dass die Grenzschicht turbulent wird. Nun bewegen sich Luftpakete, die im äußeren Teil der Grenzschicht mit hoher Geschwindigkeit strömen, nahe an die Wand und stoßen die langsamen Pakete dort nach vorne, wodurch die Verzögerung der Strömung nahe der Wand stark verringert wird, um den Preis der Verlangsamung und Erweiterung der gesamten Grenzschicht.

Eine solche turbulente Grenzschicht kann einer Kontur mit ungünstigem Druckgradienten viel besser folgen, da sie eine geringere Verzögerung der Strömung an der Wand zeigt. Ein Druckanstieg wird im Allgemeinen durch eine sich zusammenziehende Körperform verursacht. Die Trennung wird verzögert und die Trennung, sobald sie auftritt, ist viel kleiner. Der Druck in der abgelösten Strömung ist niedriger als der Umgebungsdruck, sodass nach hinten gerichtete Bereiche mit abgelöster Strömung einen massiven Luftwiderstand verursachen. Daher muss die Trennung so lange wie möglich unterdrückt werden, um den Luftwiderstand zu minimieren.

Wenn sich die Kontur eines Körpers bei einer lokalen Reynolds-Zahl unterhalb derjenigen zusammenzieht, wo der natürliche Übergang zu einer turbulenten Grenzschicht auftritt, wird die noch laminare Grenzschicht eine frühe Ablösung verursachen. Die Grübchen eines Golfballs helfen, die Grenzschicht frühzeitig in ihre turbulente Version zu bringen, wodurch die Trennung verzögert und der Luftwiderstand verringert wird.

Wenn die lokale Reynolds-Zahl (die proportional zum Produkt aus Geschwindigkeit und Körperlänge ist) höher ist, so dass die Grenzschicht turbulent wird, bevor der Teil des Körpers mit dem ungünstigen Druckgradienten erreicht wird, führt das Grübchen der Oberfläche immer noch zu einem früheren Übergang , ändert aber nicht die Trennungsposition. Schlimmer noch, es verringert den Bereich der laminaren Strömung, und der vergrößerte Bereich mit einer turbulenten Grenzschicht verursacht mehr Reibungswiderstand . Die Druckschwankungen entlang einer genoppten Oberfläche schwächen die Grenzschicht, und das genoppte Flugzeug zeigt im Vergleich zu einer glatten Version früher und mehr Ablösung.

Eine vollflächige Vertiefung ist nicht erforderlich, wenn die örtliche Fließrichtung bekannt ist. Ein Golfball muss rundherum Grübchen haben, damit zumindest einige dort landen, wo sie helfen können, die Grenzschicht auszulösen, aber bei einem Flügel braucht nur ein kleiner Streifen eine solche Auslösevorrichtung, genannt Turbulator . Einige Flugmodelle und Segelflugzeuge verwenden sie bereits, um eine geringere Trennung zu erreichen, aber hier sind kleine Noppen weniger effektiv als ein Zick-Zack-Band. Wie es funktioniert, verdient eine eigene Frage.

Rolle Zick-Zack-Band ( Bildquelle )