Welche Beziehung besteht zwischen der Höhe eines Flugzeugs und dem Widerstand, den es erfährt?

Die Reynolds-Zahl R e ist definiert als R e = c L ρ μ = c L v , mit

  • die Geschwindigkeit c   [ m s ] ,
  • die Bezugslänge L   [ m ] ,
  • die Dichte ρ   [ k g m 3 ]
    • ρ = p R T für ideale Gase
    • Druck p   [ P a ] = [ k g m s 2 ]
    • Temperatur T   [ K ]
    • ideale Gaskonstante R   [ J k g K ] = [ m 2 K s 2 ]
  • die dynamische Viskosität μ   [ k g m s ] und
  • die kinematische Viskosität v   [ m 2 s ] , v = μ ρ .

Nach meinem Verständnis nimmt der Luftwiderstand mit abnehmenden Reynolds-Zahlen zu. Daher steigt der Luftwiderstand mit zunehmender kinematischer Viskosität (siehe z. B. dieses Buch ):

  • Zusammenhang zwischen Höhe und kinematischer Viskosität nach ISA (International Standard Atmosphere)

    • Mit zunehmender Höhe nimmt die Dichte der Luft ab.

    • Die dynamische Viskosität nimmt mit zunehmender Höhe von bis zu ab 11 ' 000   m , bleibt dann konstant bis 25 ' 000   m und nimmt ab einer Höhe von mehr als zu 25 ' 000   m .
      Dies basiert auf der Formel von Sutherland für ideale Gase, die wiederum auf der Lufttemperatur beruht.
      Laut ISA sinkt die Lufttemperatur mit zunehmender Höhe von bis zu 11 ' 000   m , bleibt dann konstant bis 25 ' 000   m und nimmt ab einer Höhe von mehr als zu 25 ' 000   m .

    • Teilen μ von ρ , sieht man, dass die kinematische Viskosität mit zunehmender Höhe zunimmt.
      Siehe zum Beispiel hier oder hier für genaue Daten.

  • Zusammenfassend nimmt die Reynolds-Zahl mit zunehmender Höhe ab, was bedeutet, dass der Widerstand mit zunehmender Höhe zunimmt - vorausgesetzt, Geschwindigkeit und Referenzlänge sind konstant.

Erfährt ein Flugzeug bei ansonsten konstanten Parametern wirklich mehr Luftwiderstand, je höher seine Flughöhe ist?

Bei der Recherche zu dieser Frage stößt man oft auf die Aussage, dass der Luftwiderstand aufgrund der abnehmenden Dichte mit zunehmender Höhe abnimmt. Allerdings scheint niemand die kinematische Dichte zu berücksichtigen.
Gibt es vertrauenswürdige Diagramme, die den Luftwiderstand über der Höhe anzeigen?

Beachten Sie den Unterschied zwischen Luftwiderstand und Luftwiderstandsbeiwert : Der Gesamtwiderstand ist eine Funktion von ρ c d . . . , also die Teilung von μ von ρ wird abgebrochen, wenn Sie den tatsächlichen Luftwiderstand berechnen.
Es gibt mehrere Arten von Luftwiderstand, die ein Flugzeug erfährt. Sie scheinen sich auf den Hautreibungswiderstand zu beziehen. Der Gesamtwiderstand nimmt normalerweise mit der Höhe ab, obwohl einzelne Arten des Widerstands, einschließlich Hautreibung und induzierter Widerstand, je nach den Umständen häufig zunehmen. Ich denke, daher kommt die Verwirrung, die in Ihrem letzten Absatz zum Ausdruck kommt.
@JonathanWalters: "Der Gesamtwiderstand nimmt normalerweise mit der Höhe ab" Dies gilt nur, wenn der Auftriebskoeffizient aufgrund der geringeren Motorleistung mit der Höhe steigt. Aber das Ändern des Polarpunkts macht alle Vergleiche ungültig. Nein, der Luftwiderstand steigt mit der Höhe, wenn man Äpfel mit Äpfeln vergleicht.

Antworten (1)

Ja, die Hautreibung nimmt mit zunehmender Höhe zu.

Der Mechanismus hängt mehr mit der Temperatur als mit der Dichte zusammen, aber die Argumentation in Ihrer Frage ist richtig. Es mag einige Fälle geben, in denen der viskose Widerstand mit der Reynolds-Zahl zunimmt (wie laminare Tragflächen, die ihre laminare Schaufel verlieren, wenn die Reynolds-Zahl steigt), aber im Allgemeinen ist die Beobachtung wahr.

Zuerst eine Handlung aus Sighard Hoerners Buch Fluid Dynamic Drag :

Fließeigenschaften über der Höhe

Strömungseigenschaften über der Höhe, von Seite 1-11 in Fluid Dynamic Drag, Ausgabe 1965. Das Verhältnis der tatsächlichen Reynolds-Zahl zur Reynolds-Zahl auf Meereshöhe R R 0 zeigt einen deutlichen Abwärtstrend über der Höhe (die auf der x-Achse aufgetragen ist). Bei 60.000 ft beträgt die Reynoldszahl bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit nur noch 12 % der am Boden. Betrachtet man den gleichen dynamischen Druck, muss man das um die Quadratwurzel aus dem Dichteverhältnis korrigieren ρ ρ 0 , was 0,3 bei 60.000 ft entspricht. Insgesamt wird das Flugzeug in 60.000 ft bei 40 % der Reynolds-Zahl auf Meereshöhe fliegen, wenn der dynamische Druck konstant bleibt. Der Auftrieb ist proportional zum dynamischen Druck, daher ist es am besten, den dynamischen Druck für den Vergleich konstant zu halten.

Nun zum viskosen Drag-Over der Reynolds-Zahl: Aus demselben Buch habe ich ein Diagramm mit vielen experimentellen Daten kopiert, das den Trend gut zeigt:

Hautreibung über der Reynolds-Zahl

Hautreibung über Reynolds-Zahl, von Seite 2-6 in Fluid Dynamic Drag. Beachten Sie, dass beide Achsen logarithmisch sind, um eine nahezu lineare Trendlinie zu erzeugen. k bezeichnet eine Korrektur für eine Strömung, die zunächst laminar wird, dann aber turbulent wird, wenn die kritische Reynolds-Zahl erreicht wird (critical = kritisch auf Deutsch, daher das k).

Für noch mehr Details empfehle ich diese Seite von Stanford.


BEARBEITEN:

Ihre Kommentare haben mir geholfen, die Quelle Ihrer Zweifel zu verstehen. Widerstand und Auftrieb sind proportional zum dynamischen Druck q , und diese wiederum ist das Produkt der Geschwindigkeit v Quadrat und Dichte ρ :

q = v 2 2 ρ
Reduzieren Sie die Dichte, und Sie reduzieren den Luftwiderstand. Dadurch wird aber auch der Auftrieb reduziert. Letztendlich möchte man die gleiche Flugzeugmasse bei geringerer Dichte tragen, also muss man etwas tun, um den Auftrieb trotz des Dichteabfalls wieder auf das alte Niveau zu bringen. Sie tun dies, indem Sie die Geschwindigkeit erhöhen. Sie stellen also den gleichen Staudruck wieder her. Jetzt ist auch der Luftwiderstand wieder auf seinem alten Niveau und noch etwas mehr. Isentrope Ausdehnung bedeutet, dass die Temperatur sinkt, wenn die Dichte sinkt, und das thermodynamische Gesetz der isentropischen Ausdehnung beschreibt, was mit Luft in der Atmosphäre passiert (isentrop = keine Entropieänderung). Niedrigere Temperatur bedeutet höhere Viskosität. Eine Bewegung bei gleichem dynamischen Druck bei niedrigerer Temperatur verursacht im Allgemeinen einen stärkeren viskosen Luftwiderstand.

@Thesis Dieser Artikel vereinfacht wahrscheinlich die Dinge und verwendet den Begriff Reibungswiderstand , um sich auf den gesamten nicht induzierten Widerstand zu beziehen.
@Thesis: Nein, aber die falsche Referenz. Das Fliegen mit der gleichen Geschwindigkeit in dünnerer Luft verringert den Luftwiderstand, aber das Erzeugen des gleichen Auftriebs in dünnerer (genauer: kälterer) Luft führt zu einem viskoseren Luftwiderstand. Und am Ende wollen Sie das gleiche Flugzeug in der Luft halten, also den gleichen Auftrieb erzeugen.
Peters Antwort ist natürlich sehr gründlich, wollte aber nur darauf hinweisen, dass Sie für einen Vergleich des Kraftstoffverbrauchs die Gesamtenergie zum Zurücklegen einer Strecke und nicht nur die momentane Kraft als Vergleich betrachten sollten. Grundsätzlich steigt die Kraft, ja, aber Sie brauchen sie für weniger Zeit, weil Sie schneller fahren, wenn Sie den gleichen dynamischen Druck beibehalten. Ich habe hier keine Berechnungen angestellt, aber während die Aussage von user12485 dies ebenfalls berücksichtigt (konstante Geschwindigkeit), tut dies Peter nicht. Daher Peter: Es wäre schön, wenn du das einbeziehen würdest.
@Arnout: Ach komm schon. Die Frage bezieht sich auf den Widerstand, also habe ich sie entsprechend beantwortet. Wir haben hier viele Fragen und Antworten zu Effizienz und Transportleistung. Wenn ich jede Antwort auf diese Weise erweitern würde, wären sie noch länger.