Profil (Strömungslehre)
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Als Profil im Allgemeinen bezeichnet man in der Strömungslehre die Form des Querschnitts eines Körpers. Durch die spezifische Form und die Umströmung durch eine Flüssigkeit oder ein Gas (Fluidum) entstehen an diesen Körpern angreifende Kräfte. Die Berechnung dieser Kräfte ist sehr komplex und basiert, stark vereinfacht, auf dem Gesetz von Bernoulli und der Reibung.
Speziell geformte Profile werden für die Erzeugung von aerodynamischen oder hydrodynamischen Kräften, beispielsweise der Auftriebskraft an Flügeln von Vögeln und Flugzeugen, dem Schub an Schiffspropellern oder zur Bewegung von Windenergieanlagen, verwendet. Auf bestimmte Profile, wie z.B. das NACA-Profil (Flugzeugbau) wird bei bestimmten Konstruktionen wegen der optimalen Verhältnisse von Auftrieb und Widerstand (Länge, Fläche, Wölbung) immer wieder gerne zurückgegriffen.
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[Bearbeiten] Tragflächenprofil
Ein Tragflächenprofil bezeichnet die Form des Querschnittes der Tragfläche eines Flugzeugs. Die Profilform lässt sich Anhand bestimmter geometrischer und aerodynamischer Eigenschaften in verschiedene Kategorien einteilen. Diese werden je nach Verwendungszwecks bei der Konstruktion von Flugzeugen eingesetzt:
[Bearbeiten] Geometrische Kategorien:
- Symmetrische Profile: Die Profile sind ihrer Längsache entlang spiegelsymmetrisch.
- Halbsymmetrische Profile: Die Profile sind ihrer Längsache ähnlich. Sie unterscheiden sich bei der Wölbung der Unter- und Oberseite.
- Keulen Profile: Die eine (in der Regel obere) Seite ist konvex gewölbt, wo hingegen die andere (in der Regel untere) Seite einen größeren konkaven Bereich aufweist.
- S-Schlag Profile: Der hintere Teil des Profiles ist nach oben gezogen, so dass die Profil-Skelettlinie am Profilaustritt leicht aufwärts gerichtet ist.
[Bearbeiten] Aerodynamische Kategorien:
- Low-Re-Profile: Geeignet für niedrige Geschwindigkeiten werden Sie vor allem bei langsamen Propellermaschinen und insbesondere an Modellflugzeugen eingesetzt.
- Laminar-Profile: Diese Profile haben eine lange laminare Laufstrecke der Strömung und haben daher meist auch einen geringen Widerstand, sind jedoch auch empfindlicher auf Störungen in der Strömung. Sie finden hauptsächlich bei Segelflugzeugen und schnellen Motorflugzeugen Anwendung.
- Superkritische Profile: Diese weisen einen stoßfreien Übergang vom trans- (Überschall-) in den subsonischen Bereich der Oberflächengeschwindigkeit (die höher liegt als die Fluggeschwindigkeit) auf. Solche Profile wurden vor allem durch CFD möglich und werden in jüngerer Zeit bei Verkehrsflugzeugen genutzt, wenn diese im schallnahen Geschwindigkeitsbereich eingesetzt werden.
- Überschall-Profile: Hauptsächlich militärische Verwendung.
[Bearbeiten] Profilpolare
Die Kräfte, welche an einem Profil auftreten, lassen sich in Auftrieb (A) und Widerstand (W) aufteilen. Das Drehmoment um die Flügelachse wird als M bezeichnet. Diese Eigenschaften sowie der Anstellwinkel lassen sich in den Profilpolaren gegeneinander als Diagramm aufführen. Es ist aber üblich, statt mit diesen Kräften und Momenten mit den dimensionslosen Beiwerten Ca, Cw und Cm zu arbeitet. Das bedeutet, man bezieht die Kräfte auf den Staudruck q und die Flügelfläche S und kann so mit Werten rechnen, die unabhängig von Fluggeschwindigkeit und Größe des Flügels sind.
Cm0 ist der Nullmomentenbeiwert, das heißt er stellt das Moment des Flügels bei Ca=0, also ohne Auftrieb, dar. Cm wird mit zunehmendem Anstellwinkel üblicherweise größer.
[Bearbeiten] Entwicklung von Profilen
Bei der Entwicklung von Profilen – beispielsweise für Flugzeuge – steht in der Regel die Maximierung des Verhältnisses von Auftrieb und Luftwiderstand im Vordergrund, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Andere Anforderungen sind „gutmütiges“ Verhalten bei hohen Anstellwinkeln (Abreißverhalten) oder Dynamik (verwertbare Spanne des Auftriebs).
[Bearbeiten] Weitere Anwendungen
Das Funktionsprinzip der Profilform eines Flügels finden wir auch bei einem Rotorblatt, das antreibend Propeller, und angetrieben Repeller genannt wird.
[Bearbeiten] Weblinks
- Irrotational plane flows
- X-Foil – Programm zur Berechnung der Eigenschaften von Unterschall-Profilen
- Übersicht NACA-Profile
