Wie entsteht Luftwiderstand aus Flügelspitzenwirbeln?

Flügelspitzenwirbel erzeugen keinen Widerstand, genauso wie nasse Straßen keinen Regen verursachen.

Auftriebserzeugung und Viskosität erzeugen Widerstand . Der Widerstand setzt sich aus dem Druckwiderstand und dem viskosen Widerstand zusammen, und der induzierte Widerstand ist ein Teil des Druckwiderstands . Leider ist das Internet voll von Memen, die diesen Flügelspitzenwirbeln einen induzierten Luftwiderstand zuschreiben, aber etwas wirbelnde Luft hinter einem Flügel kann kaum einen Luftwiderstand verursachen, oder?

Anders gesehen: Wenn der Flügel keinen Auftrieb erzeugen würde, würde die Luft nicht um die Spitze strömen und sich aufrollen. Warum lesen wir also nicht, dass der Spitzenwirbel die Quelle des Auftriebs ist ? Dies verwendet genau die gleiche Logik wie die Aussage, dass der Spitzenwirbel einen Widerstand erzeugt, und ist ebenso falsch.

Flügelspitzenwirbel sind nur die Spitze einer vollständigen Wirbelschicht, die den Flügel verlässt. Dieses Wirbelblatt ist die Folge der vom Flügel nach unten beschleunigten Luft. Anstatt mich noch einmal zu wiederholen, gestatten Sie mir bitte, Sie auf die vielen anderen Antworten hinzuweisen, die erklären, was vor sich geht:

• Diese Antwort erklärt im Detail , wie Auftrieb erzeugt wird und wie die Abwärtsbeschleunigung der Luft erreicht wird.
• Diese Antwort geht in die Bildung des Nachlaufs und der Flügelspitzenwirbel ein.
• Diese Antwort zeigt, warum mehr Spannweite den induzierten Widerstand verringert. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Flügelenden nach oben, unten oder gerade verlaufen: Eine größere Flügelspannweite verringert den induzierten Widerstand.

Winglets erhöhen die Luftmenge, die an der Auftriebserzeugung beteiligt ist, und reduzieren den induzierten Widerstand bei gleichem Auftrieb. In den meisten Fällen werden sie verwendet, um bei gleicher geometrischer Spannweite mehr Auftrieb zu erzeugen, ohne dass ein unverhältnismäßiger Luftwiderstandsnachteil entsteht.

Die kurze Antwort lautet: Luftwiderstand wird nicht aus Flügelspitzenwirbeln „erzeugt“. Sagt McLean ,

Das nachlaufende Wirbelblatt und die aufgerollten Wirbelkerne werden oft als direkte Ursache der Geschwindigkeiten überall sonst im Strömungsfeld und damit auch als Ursache des induzierten Widerstands angesehen, aber diese Ansicht ist falsch. Es ist wahr, dass, wenn ein 3D-Flügel sein charakteristisches großräumiges Strömungsmuster erzeugt … es eine Wirbelschicht geben muss, die von der Hinterkante abgeworfen wird, aber die Wirbelschicht ist keine direkte physikalische Ursache der großräumigen Strömung; es ist eher eine Manifestation.

Grundsätzlicher,

In Abwesenheit von signifikanten Gravitations- oder elektromagnetischen Körperkräften gibt es in gewöhnlichen Fluidströmungen keine Fernwirkung. Signifikante Kräfte werden nur durch direkten Kontakt zwischen benachbarten Fluidpaketen übertragen. Es gibt also keine Möglichkeit, dass ein Wirbel an Punkt A direkt eine Geschwindigkeit an einem entfernten Punkt B „verursachen“ kann, und Begriffe wie „verursacht durch“ und „induziert“ und sogar „aufgrund“ stellen die Physik falsch dar.

Ein paar Dinge sollten hier beachtet werden. Erstens diskutiert McLean die gesamte nachlaufende Spur des Flügels, nicht nur die Spitzenwirbel. Aber die Spitzenwirbel sind nur eine Komponente des nachlaufenden Kielwassers, daher kann die Diskussion nur auf sie angewendet werden, wenn Sie möchten. Zweitens bedeutet "es ist eher eine Manifestation" nicht umgekehrt, dass Luftwiderstand Flügelspitzenwirbel erzeugt. Das Strömungsmuster hinter einem Flügel ist das Ergebnis der gleichzeitigen Erfüllung der Erhaltung von Energie, Masse und Impuls. Alle Ursache-Wirkungs-Beziehungen der klassischen Aerodynamik sind eigentlich alle untrennbar miteinander in der Physik verwoben.

Warum wird also oft gesagt, dass Flügelspitzenwirbel einen Luftwiderstand erzeugen?

Es gibt mehrere Möglichkeiten, darüber nachzudenken, aber hier ist die, die ich am lehrreichsten fand und die den Vorteil hat, dass wir uns nicht mit den Details des Strömungsfelds befassen müssen. Sagt Anderson ,

Die Flügelspitzenwirbel enthalten eine große Menge an translatorischer und rotatorischer kinetischer Energie. Diese Energie muss irgendwo herkommen; Tatsächlich wird es letztendlich vom Flugzeugmotor bereitgestellt, der die einzige mit dem Flugzeug verbundene Antriebsquelle ist. Da die Energie der Wirbel keinem nützlichen Zweck dient, geht diese Kraft im Wesentlichen verloren. Tatsächlich ist die vom Motor bereitgestellte zusätzliche Leistung, die in die Wirbel geht, die zusätzliche Leistung, die vom Motor benötigt wird, um den induzierten Widerstand zu überwinden.

Hier sollten noch ein paar Dinge beachtet werden. Erstens diskutiert Anderson nur die Spitzenwirbel, nicht die gesamte nachlaufende Spur des Flügels. Aber die Spitzenwirbel sind einfach eine Komponente des Nachlaufs, also kann die Diskussion auf das Ganze zutreffen (und sollte es wirklich zutreffen). Zweitens sprechen Sie das Thema Flugzeuge ohne Triebwerke an. Ich würde es vorziehen, wenn Anderson eher "Antriebssystem" als "Motor" gesagt hätte, um für diesen Fall zu verallgemeinern, aber die Physik ist dieselbe: "Zusätzliche Leistung" für ein Segelflugzeug kann als die zusätzliche potentielle Energie angesehen werden, die zur Vermittlung von Kinetik erforderlich ist Energie in das Kielwasser oder sogar die zusätzliche kinetische Energie, die ein Schleppflugzeug oder eine Thermik liefern muss, um diese potenzielle Energie aufzubauen.

Eine letzte Anmerkung zum induzierten Widerstand: Der Grund, warum wir Auftrieb haben, ist wieder die gleichzeitige Erfüllung der Erhaltung von Masse, Energie und Impuls. Genauer gesagt tritt Auftrieb auf, wenn der Flügel Energie in die Luft überträgt, um die richtige Druckverteilung aufrechtzuerhalten. Etwas unglücklicherweise ist die in die Luft eingebrachte Energie, die Auftrieb erzeugt, genau die gleiche Energie, die Anderson als notwendig beschreibt, um den induzierten Widerstand zu überwinden. Diese Kopplung ist im Grunde der Grund, warum wir in der realen Welt keinen Auftrieb ohne Luftwiderstand haben können.

Flügelspitzenwirbel erhöhen den Luftwiderstand auf zweierlei Weise:
- Der Druck an der gesamten Hinterkante des Flügels nimmt ab, wodurch die Druckdifferenz zwischen Vorder- und Trainingskante zunimmt.
- Es reduziert den Auftrieb, sodass Sie einen größeren Flügel benötigen, um die gleiche Last zu tragen. Größere Flügel haben offensichtlich mehr Luftwiderstand.

Gemäß, neben vielen anderen, NASA Technical Memorandum 81230, „Effect of Winglets on the Induced Drag of Ideal Wing Shapes“ von RT Jones und TA Lasinski, reduzieren Flügel den Luftwiderstand. Das Memorandum beginnt mit folgendem Satz: "Seit vielen Jahren ist bekannt, dass vertikale Finnen oder Endplatten an den Spitzen eines Flügels den Wirbelwiderstand erheblich verringern können."
http://www.engbrasil.eng.br/artigos/art60.pdf

Weitere Informationen finden Sie auch unter diesem Link: https://www.mh-aerotools.de/airfoils/winglets.htm#Induced%20Drag