Wie bildet ein Flugzeug Wirbelschleppen?

Ursprung der Wirbel

Wirbelschleppen sind leicht zu verstehen, wenn man weiß, wie ein Flügel Auftrieb erzeugt: Indem er die darüber strömende Luft nach unten ablenkt. In dieser Antwort hatte ich die Vereinfachung verwendet, die gesamte Luft, die durch einen Kreis mit einem Durchmesser gleich der Flügelspannweite strömt, einfach nach unten zu beschleunigen und die gesamte andere Luft unbeeinflusst zu lassen.

Dies hilft, das Prinzip der Auftriebserzeugung zu verstehen, ist aber natürlich zu einfach, da die Abwärtsbewegung der Luft darüber eine Leere erzeugt und die darunter liegende Luft Platz für diese sich nach unten bewegende Stromröhre machen muss. Außerdem wirkt sich das Druckfeld um den Flügel herum auch auf die Luft in der Nähe des Strömungsrohrs aus, und folglich wird die Luft von unten bereits seitwärts durch den Flügel gedrückt, und die Luft darüber beginnt, in Richtung des Niederdruckbereichs zu strömen der Flügel. Diese Seitwärtsbewegung wird hinter dem Flügel ausgeprägter, so dass Luft kontinuierlich unter dem Kielwasser des Flügels nach außen gedrückt wird, sich links und rechts davon nach oben und über dem Kielwasser nach innen bewegt. Die Trägheit des Abwinds hält ihn mehrere Minuten lang nach unten, verdrängt kontinuierlich die darunter liegende Luft und saugt mehr Luft in den darüber liegenden Raum. und das wird dazu führen, dass zwei Wirbel hinter dem Flügel wirbeln. Dies ist das Aufrollen des Kielwassers (siehe Skizze unten, entnommen ausdiese Quelle ).

Die Wirbel sind nur eine Folge der Abwärtsbewegung des Kielwassers, und diese wiederum ist eine Folge der Auftriebserzeugung. Bitte beachten Sie, dass die Kerne der Wirbel näher beieinander liegen als die Flügelspannweite! Dies allein sollte klarstellen, dass sie nicht durch Luft verursacht werden, die um die Flügelspitzen strömt, ein schwer auszuräumendes Missverständnis. Die folgende Tabelle gibt Berechnungen dieses Wirbelabstands an.

Die Tabelle stammt ebenfalls aus dem Carten-Papier von 1971 ; Beachten Sie die Einbeziehung des 2707-Projekts von Boeing!

Stärke der Wirbel

Wenn wir noch einmal auf die vereinfachte Streamtube-Näherung zurückkommen, ist der Auftrieb proportional zur Luftmasse, die pro Zeiteinheit durch ihn strömt, multipliziert mit dem Ablenkwinkel. Wenn der Auftrieb gleich der Masse des Flugzeugs ist (wie es sein sollte), müssen schwere Flugzeuge entweder mehr Luft beschleunigen (größere Spannweite) oder Luft stärker beschleunigen (höherer Ablenkwinkel) als leichte Flugzeuge bei gleicher Geschwindigkeit. Ein größerer Ablenkwinkel erzeugt stärkere Wirbel. Aus diesem Grund erzeugt ein schweres Flugzeug bei niedriger Geschwindigkeit und kleiner Spannweite die stärksten Wirbel.

Da bei höherer Fluggeschwindigkeit mehr Luft durch das Strahlrohr strömt, erfordert schnelleres Fliegen weniger Ablenkung, wodurch die Wirbelschleppen schwächer werden. Wenn das Flugzeug steigt, wird die Luft mit zunehmender Höhe weniger dicht und es ist weniger Massenstrom über den Flügel verfügbar, sodass die Wirbel stärker werden, wenn sich die Fluggeschwindigkeit nicht ändert. Normalerweise beschleunigen Flugzeuge beim Steigflug, und die Wirbelstärke bleibt gleich, wenn das Flugzeug mit konstantem Staudruck fliegt.

Wirbel können auf drei Arten vermieden werden:

1. Unendliche Spannweite (d. h. unendlicher Massenstrom, daher ist für keinen Auftrieb eine Umlenkung erforderlich)
2. Unendliche Geschwindigkeit (ergibt wiederum unendlichen Massenstrom)
3. Kein Gewicht des Flugzeugs. Das Fliegen einer Null-g-Parabel erzeugt tatsächlich fast keine Nachlaufturbulenzen.

Ende der Wirbel

Die Trägheit wird dafür sorgen, dass sich das Kielwasser nach unten bewegt und die Wirbel sich drehen, aber die Reibung lässt diese Luftbewegungen innerhalb weniger Minuten abklingen. Wenn das Flugzeug hoch fliegt, wird das Kielwasser zerstreut, lange bevor es den Boden berührt. Das Kielwasser tieffliegender Flugzeuge trifft jedoch auf den Boden und wird abgelenkt. Das Wirbelrohr wirkt nun wie ein Rad und beginnt sich nach außen zu bewegen, und bei ausreichendem Seitenwind kann der Luvwirbel wie in der rechten Skizze unten (ebenfalls aus dem Carten-Bericht) angehalten werden.

Fotografischer Beweis

Es gibt viel zu viele schöne Bilder von Wirbelschleppen , um sie nicht einzuschließen, also werde ich hier ein paar hinzufügen:

Sie können sehen, dass sich die äußeren Kondensstreifen der Triebwerke dieser Boeing 747 um die Kondensstreifen der inneren Triebwerke wickeln. Dies zeigt, wie die Luft im Kielwasser des Flügels nach unten gedrückt wird und dass die Zentren der Wirbel leicht innerhalb der äußeren Triebwerke liegen.

Die an den Wingletspitzen dieses A340 entstehenden Kondensationsspuren bewegen sich nach innen und oben, was wiederum zeigt, dass der Wirbel nicht von den Spitzen ausgeht, sondern sich hinter dem Flügel und mit einem Abstand zwischen den beiden Wirbelkernen von wesentlich weniger als der Flügelspannweite bildet.

Diese beiden Bilder zeigen, wie der Abwind des Kielwassers eine Furche in die Wolken schneidet.

KLM MD-11 an einem feuchten Tag, Landeklappen eingestellt ( Quelle © Erwin van Dijck). Erstens zeigt es, wie unbedeutend der Spitzenwirbel im Vergleich zur Wirbelbildung an den Klappenspitzen ist, und zweitens zeigt es, wie sich der Spitzenwirbel nach innen bewegt und beginnt, in den Nachlaufwirbel gesaugt zu werden. Beachten Sie auch die Spitzenwirbel vom Heck!

Es ist so einfach wie "Spitzen"-Wirbel, aber das ist eine falsche Bezeichnung.

Die Flügelwirbel werden nicht wirklich durch die "Spitzen" verursacht. Sie sind ein inhärenter Effekt der Erzeugung von Auftrieb über eine endliche Spannweite. Um Auftrieb (eine Kraft auf das Flugzeug) zu erzeugen, übt das Flugzeug eine Kraft auf die umgebende Luft aus (nach Newtons drittem Gesetz). Da sich die Luft frei bewegen kann, beschleunigt diese Kraft sie (nach Newtons zweitem Gesetz) nach unten. Aufgrund der Wirkungsweise von Flüssigkeiten wirkt die Kraft sowohl über als auch unter dem Flügel auf die Luft (bis zu einer Höhe, die mit der Spannweite vergleichbar ist), jedoch nicht zu den Seiten.

Direkt hinter dem Flugzeug haben wir also Luft, die sich nach unten bewegt, und an den Seiten Luft, die stillsteht. Und das sind die Flügelwirbel. Siehe auch John S. Denker: How It Flys , Abschnitt 3.14 .

Es gibt einen leichten Aufwind direkt außerhalb der Flügelspitzen, der durch die Querströmung um die Flügelspitze herum verursacht wird, aber er trägt nur einen winzigen Bruchteil (höchstens einige Prozent) der Zirkulation und des damit verbundenen Luftwiderstands bei. Es gibt auch einige Turbulenzen, die durch einfaches Bewegen durch die Luft mit ausreichender Geschwindigkeit verursacht werden, aber auch das ist vergleichsweise gering.

Die Trägheit, die das Flugzeug der Luft über die Zeiteinheit verleihen muss, ist proportional zum Flugzeuggewicht. Daher sind die Turbulenzen hinter schwereren Flugzeugen stärker.

Wenn das Flugzeug schneller fliegt, beeinflusst es mehr Luft pro Zeiteinheit, sodass es ausreicht, es auf eine niedrigere Geschwindigkeit zu beschleunigen. Daher sind Turbulenzen hinter langsamer fliegenden Flugzeugen (z. B. beim Start oder bei der Landung) stärker.

Wenn das Flugzeug höher fliegt, ist die Luft weniger dicht (hat eine geringere Masse pro Volumeneinheit), sodass es auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt werden muss. Daher sind Turbulenzen hinter höher fliegenden Flugzeugen stärker. Glücklicherweise fliegen Flugzeuge auch schnell, wenn sie hoch fliegen.

Um die Bildung von Flügelspitzenwirbeln zu verstehen und wie dies zu Wirbelschleppen führt, müssen wir zunächst verstehen, wie die Flügel eines Flugzeugs Auftrieb erzeugen.

Auftrieb aufgrund von Druckdifferenz

Diese Form des Aufzugs funktioniert nach dem Bernoulli-Prinzip ; Die Grundidee ist, dass sich schnell bewegende Luft einen Unterdruck erzeugt . Hier wird die Struktur des Flügels wichtig.

Durch die Form des Tragflügels entsteht direkt über dem Flügel ein Unterdruck und der Hochdruck unter dem Flügel drückt den Flügel (und damit das gesamte Flugzeug) nach oben. Anhand eines Bildes lässt sich dies gut nachvollziehen:

Flügelspitzenwirbel

Der Auftrieb eines Flügels wird hauptsächlich durch die Druckdifferenz zwischen der unteren und der oberen Oberfläche des Flügels erzeugt. Luftmoleküle darunter stehen bereits unter Druck, und diejenigen in der Nähe der Flügelspitze entweichen um den Flügel herum und bahnen sich ihren Weg nach außen, oben und innen und erzeugen Flügelspitzenwirbel.

Die Winglets an vielen modernen Verkehrsflugzeugen dienen auch dem Zweck , die Bildung von Flügelspitzenwirbeln etwas zu verhindern, indem sie die Luftmoleküle nicht spiralförmig hineinlassen, nachdem sie unter dem Flügel entkommen sind.

Wake Turbulenz

Wake Turbulence ist eine Störung in der Atmosphäre, die sich hinter einem Flugzeug bildet, wenn es durch die Luft fliegt. Es umfasst verschiedene Komponenten, von denen die wichtigsten Flügelspitzenwirbel und Jetwash sind.

Wirbelschleppen sind also nichts anderes als atmosphärische Störungen, die durch Flügelspitzenwirbel und in geringerem Maße durch Düsentriebwerksabgase verursacht werden.

BEARBEITEN: Abschnitt entfernt, in dem Impact Lift erläutert wird, da so etwas nicht existiert - mit freundlicher Genehmigung von Peter Kämpf