Wie erzeugt eine schwache Stoßwellen-Grenzschicht-Wechselwirkung einen Wellenwiderstand (außer durch direkte Stoßverluste)?

Ich versuche, die physikalische Ursache des Wellenwiderstands zu verstehen, abgesehen von der einfachen Aussage "Das Vorhandensein von Stoßwellen erhöht den Widerstand".

Soweit ich verstehe, ist bei einem schwachen BLSWI (also ohne Trennung) die Widerstandserhöhung auf Folgendes zurückzuführen:

  • Direkte Stoßverluste (Impulsmangel der Freistromströmung durch Stoßwelle)
  • Eine Änderung des Zustands der Grenzschicht aufgrund der Kompressionswellen in der Seite der BL

Aber wie genau funktioniert der zweite Punkt? Wenn die BL nach der SW dicker wird, würde das nicht bedeuten, dass der Widerstand abnimmt, weil der Geschwindigkeitsgradient und damit die Schubspannung abnehmen?

Ich habe das Gefühl, dass mir ein winziger Aspekt fehlt...

Bearbeiten: Ich habe in diesem Bericht die folgende Aussage gefunden , die mein Problem vielleicht besser erklärt:

Die Erhöhung des Widerstands tritt direkt aufgrund des Wellenwiderstands auf, der mit dem Vorhandensein von Stoßwellen verbunden ist. Allerdings erhöht sich auch der Widerstand, weil die Grenzschichtdicke durch den plötzlichen Druckanstieg an der Oberfläche durch die Schockwelle zunimmt, was zu einem erhöhten Profilwiderstand führt. Lynch hat geschätzt, dass bei einer Widerstandsdivergenz der zusätzliche transsonische Widerstand ungefähr gleichmäßig zwischen dem expliziten Stoßwiderstand und dem stoßinduzierten zusätzlichen Profilwiderstand aufgeteilt ist

Warum verursacht die Erhöhung der BL-Dicke mehr Luftwiderstand? Sollte der Geschwindigkeitsgradient an der Wand nicht abnehmen, was zu weniger Schubspannung führt? Oder sollte ich es so sehen, dass die ohnehin schon turbulente BL durch die Dickenzunahme "in ihren Wirbelstrukturen mehr Energie aus der Strömung aufnimmt"?

Ich habe hier eine nette Erklärung des Wellenwiderstands (und des Auftriebs) gesehen, die zeigt, dass der Wellenwiderstand einfach darauf zurückzuführen ist, dass bei Überschallgeschwindigkeit keine Druckwiederherstellung über die dickste Stelle hinaus erfolgt. Es wird daher nicht wirklich durch Stoßwellen selbst verursacht, sondern nur mit ihrer Anwesenheit korreliert, denn wo Überschallströmung ist, gibt es Stoßwellen.
Der von Ihnen beschriebene Effekt wäre also ein Druckwiderstand, der im Vergleich zum Unterschallfall durch einen negativeren Druck zwischen der dicksten Stelle und der Stoßwelle verursacht wird? Das würde Sinn machen. Trotzdem bleibt die Frage, was hat es mit der dickeren Grenzschicht auf sich? Sollte das nicht sogar den Luftwiderstand verringern?

Antworten (1)

Wie Sie wissen, Wandschubspannung τ w (und damit der Reibungswiderstand) kann wie folgt beschrieben werden:

τ w = μ ∂ u ∂ j | j = 0
Wo μ ist die dynamische Viskosität der Flüssigkeit und ∂ u ∂ j | j = 0 ist der Flüssigkeitsgeschwindigkeitsgradient an der Wand.

Die Stoßwellen-Grenzschicht-Wechselwirkung (SBLI) kann diese beiden Faktoren durch mehrere Mechanismen verändern:

  1. Eine Änderung der Grenzschichtdicke: Wie Sie richtig bemerkt haben, verringert eine Erhöhung der Grenzschichtdicke (BL) den Geschwindigkeitsgradienten im Vergleich zu einem ansonsten ähnlichen BL-Geschwindigkeitsprofil. Meine Schlussfolgerung nach dem Lesen mehrerer Veröffentlichungen ist jedoch, dass die Zunahme der BL-Dicke nicht immer auftritt. BL-Dicke skaliert mit Stoßstärke und sehr schwachen Stößen erzeugen tatsächlich eine dünnere BL.

  2. Eine Verringerung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit: Die Stoßwelle führt offensichtlich zu einer verringerten Geschwindigkeit außerhalb der Grenzschicht, was den Geschwindigkeitsgradienten verringert. Dies verringert auch die Wandschubspannung, kann also auch nicht der dominierende Mechanismus sein, da dies unserer Erfahrung mit erhöhter Reibung widerspricht.

  3. Eine Zunahme der Turbulenz: Die Turbulenz des BL wird durch die Stoßwelle durch verschiedene Mechanismen erheblich verstärkt. Das Bild unten visualisiert die Verteilung der Reynolds-Scherspannungen, die ein Maß für Turbulenz sind. Eine hohe Größe (positiv oder negativ) von Reynolds-Spannungen bedeutet hohe Turbulenz: Reynolds-Scherspannungsverteilung eines SBLI. Beachten Sie die stark negativen Werte im unteren BL hinter dem SBLI. Negative Werte weisen auf eine langsame Aufwärtsbewegung und eine schnelle Abwärtsbewegung hin. Beachten Sie auch, dass der Wert sehr nahe an der Wand Null ist, da die Wand vertikale Schwankungen verhindert. Bildquelle (ich habe die weißen Markierungen hinzugefügt)Reynoldsscherspannungsverteilung eines SBLI
    Die erhöhte Turbulenz bewirkt einen verstärkten Impulsaustausch zwischen dem unteren und langsameren Teil der BL mit dem höheren und schnelleren Teil. Dieser Impulsaustausch verändert das Geschwindigkeitsprofil der BL. Näher an der Wand treten höhere Geschwindigkeiten auf. Dies führt zu einem höheren Geschwindigkeitsgradienten an der Wand . Ich glaube, dass dies die Hauptursache für erhöhte Wandschubspannungen sein muss. Die stärkere Turbulenz wird wahrscheinlich stromabwärts abklingen, so dass sich das Geschwindigkeitsprofil langsam wieder zu dem normalen turbulenten flachen Plattentyp ändert.

  4. Druck- und Temperaturerhöhung durch die Stoßwelle: Die steigende Temperatur und der steigende Druck (nicht so sehr) erhöhen die dynamische Viskosität der Flüssigkeit und erhöhen somit die Scherspannung.

Höchstwahrscheinlich spielen noch andere Faktoren eine Rolle. Ich bin kein Experte für SBLIs, ich habe nur eine ganze Menge Literatur gelesen, um zu meinen Schlussfolgerungen zu kommen.

Literatur, die ich besonders hilfreich fand:

Super, danke für die ausführliche Antwort! Zusammenfassend wäre also die Erhöhung des Widerstands aufgrund einer schwachen Stoßwelle auf eine erhöhte Turbulenz in der BL nach der Stoßwelle zurückzuführen (daher Reibungswiderstand)? Ich vermute, dass die Erhöhung des Druckwiderstands aufgrund der fehlenden Druckwiederherstellung nach der dicksten Stelle (siehe Kommentar zu meiner Frage) ebenfalls eine Rolle spielt, obwohl dies nur mit dem Vorhandensein von Stoßwellen korreliert und nicht durch diese verursacht wird.
Exakt. Die erhöhte Turbulenz in der BL sollte die Hauptursache für erhöhten Reibungswiderstand sein. Der Gesamtdruckverlust über die Stoßwelle spielt jedoch immer eine Rolle für den Luftwiderstand. Wie viel jeder Effekt zum stoßinduzierten Widerstand beiträgt, hängt stark von der Strömung in jeder spezifischen Situation ab. Intuitiv würde ich erwarten, dass der Gesamtdruckverlust in den meisten Fällen der stärkere Effekt ist.
In Ordnung, aber der statische Druck steigt über die Stoßwelle hinweg immer noch an, richtig? Intuitiv würde ich also denken, dass dieser erhöhte statische Druck für einen gewissen "Druckschub" sorgt, wenn er nach der dicksten Stelle wirkt.
Ja, der statische Druck steigt über die Stoßwelle hinweg an. Aber im Gegensatz zur Unterschallströmung beschleunigt sich die Überschallströmung, wenn sie sich ausdehnt. Dies passiert nach der dicksten Stelle. Der statische Druck nimmt mit der Strömungsbeschleunigung ab. Aus diesem Grund haben Sie hinter der dicksten Stelle einen Bereich mit reduziertem Druck. Durch den totalen Druckverlust ist der statische Druck sogar geringer als ohne Dämpfer, wenn das sinnvoll ist.
Wie erzeugt eine schwache Stoßwellen-Grenzschicht-Wechselwirkung einen Wellenwiderstand (außer durch direkte Stoßverluste)?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v