Warum hat ein Tragflügel die Form einer Träne?

Ich verstehe den Grund, warum Tragflächen oben gewölbt sind: um Auftrieb zu erzeugen. Man würde aber annehmen, dass dies zu halbkreisförmigen Flugzeugflügeln führen würde. Warum erinnert der Querschnitt eines Tragflügels stattdessen eher an eine seitlich liegende und horizontal geschnittene Träne? Warum ist die Vorderseite dicker als die Rückseite?

Ein längerer Weg für die Luft über die Oberseite des Flügels ist eigentlich nicht so wichtig. Der wichtige Teil ist, den Flügel in einem Winkel zum Luftstrom zu haben. Die Träne soll es der Luft erleichtern, die Ecke um die Vorderkante des Flügels zu drehen, aber es schwierig machen, die Ecke an der Hinterkante zu drehen. Diese Seite hat eine gute Erklärung: av8n.com/how/htm/airfoils.html#sec-airfoils
@ RickyTensor, ich denke, es gibt noch ein Detail: Eine hauchdünne Vorderkante wäre besser als eine abgerundete Vorderkante, wenn die Luft immer genau im perfekten Anstellwinkel auf den Flügel treffen würde, aber sie würde in so ziemlich jedem anderen Winkel stehen bleiben. Die abgerundete Vorderkante bietet mehr Luftwiderstand, funktioniert jedoch ohne abrupte Änderungen über einen erheblichen Bereich von Anstellwinkeln.
ObXKCD: Tragfläche .
@SteveSummit Oh, ich verstehe vollkommen, dass das Argument der gleichen Zeit falsch ist
Es lohnt sich zu bedenken, dass eine Träne (oder besser ein Regentropfen) definiert ist als das, was mit Wasser passiert, wenn Sie es in einen Strom strömender Luft bringen
@foobarbecue Ich habe tatsächlich darüber nachgedacht, aber ich sehe nicht ganz, wie es in diesem Szenario verwendet werden könnte. Bearbeiten: Eigentlich gut, ich nehme an, die auf einen Flüssigkeitstropfen ausgeübten Widerstandskräfte verwandeln ihn in eine Träne, also nehme ich an, sobald ein Flügel bereits ist tropfenförmig wären dann die Widerstandskräfte stromlinienförmig?
Tatsächlich ist die Form eines Regentropfens nicht das, was die meisten Leute denken. physical.stackexchange.com/q/231756/313822
@RickyTensor Der Anstellwinkel ist auch die falsche Variable. Die entscheidende Frage ist, wie viel Luft sich mit welcher Geschwindigkeit nach unten bewegt, nachdem das Luftleitblech durchlaufen wurde. Das bedeutet, dass die Winkel der Hinterkante den Auftrieb viel stärker bestimmen, weil sie den Winkel vorgeben, in dem die Luft das Schaufelblatt verlässt. Die Luftmenge, die nach unten bewegt wird, wird hauptsächlich durch die Länge des Flügelquerschnitts gesteuert. Der Anstellwinkel ist nur nützlich, nachdem Sie sich für eine feste Flügelform entschieden haben, gerade weil er zu den Hinterkantenwinkeln beiträgt.

Antworten (1)

Die Schaufelblattform ist für zwei Merkmale optimiert

Maximierung des Auftriebsbeiwerts C L allein würde, wie Sie sagten, eine halbkreisförmige Form verlangen, wie diese:
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Minimierung des Luftwiderstandsbeiwerts C D allein würde nach einer tropfenartigen Form verlangen (mit einem runden vorderen Ende und einem dünnen hinteren Ende. Siehe den stromlinienförmigen Körper im Bild unten.

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(Bild aus Wikipedia - Luftwiderstandsbeiwert )

Setzt man diese beiden Anforderungen zusammen, erhält man die typische Tragflächenform, die eine Art Kompromiss zwischen dem Halbkreis und der Tropfenform von oben darstellt. (Bild aus Wikipedia - Airfoil )
Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es gab auch viel praktische Forschung (z. B. Messungen in Windkanälen), die in die Bestimmung der optimalen Schaufelblattformen für bestimmte Bedingungen flossen. Siehe zum Beispiel NACA (der Vorgänger der NASA) Tragflächen: en.wikipedia.org/wiki/NACA_airfoil
Warum ist eine Tropfenform so stromlinienförmig?
@JamesDavis Ich denke, das liegt daran, dass der dünne Schwanz Turbulenzen verhindert. Siehe hier .
Ich bin neugierig: Gibt es einen expliziteren mathematischen Ausdruck für die idealisierte Tragflächenform, wie Sie sie beschreiben - auch wenn es sich nicht um eine "geschlossene Form" in Bezug auf einige allgemeinere Funktionen handelt, dann zumindest wie eine unendliche Summe?
@The_Sympathizer: Wenn Sie bereit sind, "keine Turbulenzen" anzunehmen, stelle ich mir vor, dass es eine gottlose Differentialgleichung gibt, die Sie zu lösen versuchen können, an welcher Stelle Sie ein kugelförmiges Kuhprofil haben, das nicht wirklich funktioniert. Wenn Sie zugeben, dass Turbulenzen eine Sache sind, dann ist es ein wirklich schwieriges Problem.
@The_Sympathizer Es gibt keine "ideale" Tragflächenform, da jede Tragfläche ein Kompromiss ist. Ein Segelflugzeug hat eine andere bevorzugte Tragflächenfamilie im Vergleich zu einem Linienflugzeug, das wiederum eine andere bevorzugte Tragflächenfamilie im Vergleich zu einem langsamen Leichtflugzeug hat. Sie wählen Tragflächen basierend auf der Mission, die sie erfüllen müssen. Es gibt eine Gleichung, die als Feld angewendet werden kann, um das Verhalten eines beliebigen Objekts in einer Flüssigkeit herauszufinden: die Navier-Stokes-Gleichung.
@The_Sympathizer ... moderne Tragflächendesigner verwenden Tools wie XFLR5, um die Navier-Stokes-Gleichung auf 3D-Objekte (Computational Fluid Dynamics) anzuwenden, um das Verhalten von Tragflächen zu charakterisieren, und geben das Ergebnis dann in ein anderes Programm ein, das die Tragfläche ein wenig modifiziert, um sie zurückzugeben in XLFR5. Das Schaufelblatt wird zufällig mutieren und sich weiterentwickeln, um bestimmte Designziele zu erreichen.
@slebetman: Dann definieren die beiden im Beitrag angegebenen Bedingungen also keine bestimmte Form eindeutig? Ja, man kann für andere Parameter entwerfen, aber wenn wir fragen: "Gibt es eine einzigartige Form, die in zwei Dimensionen sowohl den Luftwiderstand als auch den Auftrieb optimiert, wenn sie einer gleichmäßigen ankommenden Strömung ausgesetzt ist?" ist die Antwort "ja" oder "nein" und warum? Welche anderen Parameter müssen festgelegt werden, um die Form eindeutig zu spezifizieren?
@The_Sympathizer Sie müssen zusätzliche Daten hinzufügen. Sie müssen fragen: "Für einen Flügel mit einer Sehne von 3 m, der mit 200 km / h fliegt, welche Form würde das beste L / D-Verhältnis erzeugen?" was Ihnen eine andere Antwort geben wird als "für einen Flügel mit einer Sehne von 5 m, der mit 900 km / h fliegt, welche Form würde das beste L / D-Verhältnis erzeugen?". Die Antwort hängt von der Reynolds-Zahl ab, in der der Flügel arbeitet, und die Reynolds-Zahl ändert sich je nach Skala (Flügelsehne), Fluggeschwindigkeit, Luftdruck usw.
.. Natürlich arbeitet kein Flugzeug (nicht einmal Papierflugzeuge) mit nur einer Geschwindigkeit, also müssen Sie dann wieder Kompromisse eingehen, um ein Flugzeug zu bekommen, das bei Start-/Landegeschwindigkeiten gut und bei Reiseflug optimal funktioniert. Nur ein Beispiel: Das Tragflächenprofil für einen Bungee-gestarteten funkgesteuerten Vergolder würde sich von dem Tragflächenprofil eines geschleppten funkgesteuerten Segelflugzeugs unterscheiden, da das Bungee-gestartete Luftwiderstand weiter verringert werden muss, um eine höhere Starthöhe zu erreichen, aber das geschleppte Segelflugzeug kann optimiert werden für ein Profil mit höherem Auftrieb, da das Schleppflugzeug es in jeder Höhe freigeben kann
@The_Sympathizer Hier sind die 4 Faktoren, die die Reynolds-Zahl beeinflussen: Dichte der Flüssigkeit (Luft), Viskosität der Flüssigkeit (Luft), (Luft-)Strömungsgeschwindigkeit, Größe des Objekts. Von den 4 sind 3 variabel und Sie können die Viskosität von Luft hartcodieren, es sei denn, Sie planen, auch Dinge einzufliegen, die keine Luft sind, wie reiner Wasserstoff oder Wasser oder Öl. Natürlich ist das L/D-Verhältnis (optimiert sowohl den Auftrieb als auch den Luftwiderstand) nur ein Designkriterium. Max L/D ist fast nie dasselbe wie Max Lift (CL Max). In einigen Fällen, in denen Sie nicht weit reisen müssen, aber viel Gewicht heben müssen, können Sie CL Max anstelle von Max L/D wählen
@The_Sympathizer Es gibt einen Grund, warum aerodynamisches Design immer noch eher eine Kunst (oder schwarze Magie) als ein mechanischer Prozess ist. Unsere Tools geben uns nur die Möglichkeit, unsere Designs zu testen (wir können mit evolutionärer Programmierung sozusagen schummeln), anstatt die Designarbeit für uns zu erledigen. Wir verlassen uns auf die menschliche Intuition und Faustregeln, um ein Profil (oder sogar ein ganzes Flugzeug) zu entwerfen, und dann testen wir, ob es gut ist.
Zusätzlich zu den von @slebetman aufgezeigten Fehlern in der Designoptimierung ist auch die Form, die den maximalen Auftrieb erzeugt, falsch - selbst wenn man von einer reibungsfreien Strömung ausgeht. Eine dünne Form mit halbkreisförmigen Ober- und Unterseiten hätte einen höheren Auftrieb (ebenso wie viele Variationen).
@slebetman: Danke. Ihr erster Kommentar beantwortet meine Frage (verneinend). Wahrscheinlich würde die Antwort davon profitieren, einige dieser und jener Informationen in nachfolgende Kommentare aufzunehmen.
Warum hat ein Tragflügel die Form einer Träne?
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