Wie wirkt sich die Reynolds-Zahl auf den Hautreibungswiderstand aus?

Erstens ist Reibung schlecht für die Effizienz. Es verlangsamt die Bewegung und benötigt eine konstante Energiezufuhr, um überwunden zu werden. Je mehr Reibung, desto mehr Energie muss zugeführt werden und diese Energie geht als Wärme verloren.

Aerodynamische Reibung wird durch Viskosität verursacht. Die Reynolds-Zahl gibt an, wie groß die Viskosität im Verhältnis zu den Trägheitskräften ist. Eine größere Reynolds-Zahl bedeutet eine niedrigere Viskosität. Das bedeutet, dass eine höhere Reynolds-Zahl fast immer zu einer geringeren Reibung führt. Wenn Sie sich das folgende Diagramm ansehen, ist der Abwärtstrend leicht zu erkennen.

_{Reibungswiderstandsbeiwert einer flachen Platte über der Reynolds-Zahl ( Bildquelle ). Beachten Sie die doppelt logarithmischen Achsen.}

Gibt es so etwas wie "höhere Reynoldszahl, höhere Widerstandskraft"?

Ja manchmal. Betrachten Sie bitte die Übergangskurve: Hier geht eine anfänglich vollständig laminare Strömung langsam mit zunehmender Reynoldszahl in eine mit laminarem Beginn und einem Übergang zu einer turbulenten Strömung irgendwo stromabwärts über. Dies fügt einen Abschnitt einer turbulenten Grenzschicht hinzu, wo bei einer niedrigeren Reynolds-Zahl die Strömung laminar gewesen wäre. Sie werden feststellen, dass bei gleicher Reynolds-Zahl eine vollständig laminare Strömung (untere Linie) viel weniger schleppend ist als eine vollständig turbulente (obere Linie). Daher führt das Ersetzen eines Teils der laminaren Strömung durch eine turbulente zu mehr Luftwiderstand.

Jetzt muss ich erklären, warum eine Erhöhung der Reynolds-Zahl zu einer turbulenteren Strömung führt. Dazu wende ich mich dieser Antwort zu :

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.

Einfach ausgedrückt: Eine laminare Grenzschicht kann nicht unbegrenzt aufrechterhalten werden, sondern wird zu einer turbulenten, wenn die Reynolds-Zahl hoch genug ist. Dadurch wird ein Teil des zuvor laminaren Teils der Grenzschicht in einen turbulenten umgewandelt, was den Luftwiderstand erhöht.

Während all das Obige nur für die Strömung über eine flache Platte ohne Druckgradient streng zutrifft, wird die reale Strömung die Dinge noch komplizierter machen: Nun ist die turbulente Strömung nicht nur schlecht; Das Beispiel des Golfballs mit Noppen zeigt, dass eine turbulente Grenzschicht in der Strömung mit einem Druckgradienten unter Umständen auch zu einem geringeren Luftwiderstand führen kann.