Was ist Wirbellift?

Der Wirbelauftrieb ist die Methode, mit der stark gepfeilte Flügel (wie Deltaflügel) bei großen Anstellwinkeln Auftrieb erzeugen.

Im Fall von Flügeln mit scharfen, stark gepfeilten Vorderkanten wie Delta-Flügeln tritt das Phänomen des Vorderkanten-Trennwirbels bei Unterschallgeschwindigkeiten auf. Die Trennung zerstört jedoch nicht den Auftrieb wie bei niedrigen Pfeilflügeln; Stattdessen bildet es zwei Wirbel, die (fast) parallel zu den Flügelkanten sind.

Wirbel über einem Deltaflügel mit einem Schwenkwinkel von 70°, Ablösung in dreidimensionaler stationärer Strömung , ONERA

Bei Concorde sehen die Wirbel so aus:

Wirbel über dem Concorde-Flügel, Trennung in dreidimensionaler stetiger Strömung , ONERA

Ein Querschnitt der Wirbel sieht so aus:

Strömung über dem Concorde-Flügel, Trennung in dreidimensionaler stetiger Strömung , ONERA

Anders als der (gebundene) Wirbel des herkömmlichen Flügels sind diese real in dem Sinne, dass sie eine tatsächliche Luftmasse darstellen, die sich mit hoher Geschwindigkeit im Vergleich zur Luft vor dem Flügel dreht.

Die Wirbel bilden „Wirbelblätter“ entlang des Flügels. Luft wird in die Wirbelblätter gesaugt und nach unten beschleunigt. Da die Luftgeschwindigkeit im Wirbel hoch ist, ist der Druck niedrig. Dieser Unterdruck auf der Oberseite erzeugt Auftrieb.

Von Low Aspect Ratio Wings at High Angles of Attack bei adg.stanford.edu:

...die Wirbel an der Vorderkante, erhöhen den Flügelauftrieb nichtlinear. Der Wirbel kann so betrachtet werden, als ob er die Drücke auf der oberen Oberfläche reduziert, indem er höhere Geschwindigkeiten auf der oberen Oberfläche induziert.

Quelle : adg.stanford.edu

Grundsätzlich erhöhen die Wirbel den Auftrieb von den Grundlinienwerten (potentieller Strömung), wobei die zusätzliche Kraft gleich dem Verlust an Vorderkantensaugung ist, der mit der abgetrennten Strömung in stark gepfeilten Flügeln mit hohem Anstellwinkel verbunden ist. Diese Analogie ergibt das gleiche Ergebnis wie zuvor.

A Concept of the Vortex Lift of Sharp-Edge Delta Wings based on a Leading-Edge Sog Analogy , Edward C. Polhamus, NASA Technical Note D-3767

Ein Hauptvorteil der Wirbelauftriebserzeugung besteht darin, dass sie bei hohen Anstellwinkeln wirksam ist, über denen die Flügel normalerweise stehen bleiben würden. Dass Concorde diese Methode der Auftriebserzeugung verwendet hat, ist tatsächlich der Grund für die hohe AoA während der Landung und die herabhängende Nase.

Quelle : http://soliton.ae.gatech.edu

Zu beachten ist, dass die Wirbelauftriebserzeugung bei hohen Anstellwinkeln erfolgt oder wenn die Flügel so konstruiert sind, dass sie unter normalen Bedingungen eine getrennte Strömung (mit scharfen Kanten wie bei Concorde) erzeugen. Ansonsten erfolgt die Auftriebserzeugung auf herkömmliche Weise.

Derselbe Mechanismus ist verantwortlich für die Auftriebserzeugung in:

• Strakes

  

  Von US Navy Foto von Mass Communication Specialist 2nd Class James R. Evans [Public domain], über Wikimedia Commons

• Chinesisch

  

  Bild aus Effects of Vertical Tail and Inlet/Strake Geometry on Stability of a Diamond-Wing Fighter Configuration von Mitchell E. Fossum et al., Zugriff über http://enu.kz/

• Enten

  

  Quelle : forum.keypublishing.com

Was es ist

Der Wirbellift benötigt zwei Bedingungen:

• Hoher Anströmkanten-Sweep (idealerweise 60° und mehr)
• Hoher Anstellwinkel, je mehr Sweep, desto kleiner der Winkel, wenn der Wirbelauftrieb wirksam wird.

Wirbelauftrieb wird durch Strömungsablösung an der Vorderkante verursacht. Während dies bei ungepfeilten Flügeln auf einen starken Strömungsabriss hindeutet, rollt sich die abgelöste Strömung entlang einer stark überstrichenen Kante auf und erzeugt einen konischen, stabilen Wirbel. Die Geschwindigkeiten aufgrund dieser spiralförmigen Luftbewegung führen dazu, dass der Luftdruck über dem Flügel abfällt, wodurch der Sog entsteht, der den Auftrieb erzeugt.

Wird der Anstellwinkel weiter vergrößert, wird der Wirbel instabil und platzt. Geschieht dies, während es sich noch über der Tragfläche befindet, wird das Flugzeug instabil – das Platzen des Wirbels ist ein hochdynamischer Vorgang, der zu einem Aufprall und einer instabilen, sich selbst verstärkenden Rollbewegung führt.

Wo wird sonst noch Wirbellift eingesetzt?

Vortex-Auftrieb ist hilfreich, wenn Auftrieb bei hohen Anstellwinkeln oder Seitenschlupf benötigt wird. Außer auf Deltaflügeln wird es verwendet in:

• Strakes oder Vorderkantenverlängerungen vor dem Flügel
• Strähnen oder Filets vor der Seitenleitwerksfläche
• stark gepfeilte Canards oder Flossen

Schöne Bilder

Bild von CFD-Simulationen auf der F-18, entnommen von dieser Aerospaceweb - Seite.

Die grauen Bänder zeigen, wie sich die Strömung an der Vorderkante des Strake vorbei kräuselt und nahe an der Flügeloberseite bleibt.

Strömungsvisualisierung an einem Deltaflügel ( Bildquelle ). Dieses Bild wurde in einem Wassertunnel aufgenommen, und an der Vorderkante wurden Farbstoffe injiziert, um die Stromlinien sichtbar zu machen.