Aerodynamik

An der Wiege der modernen Aerodynamik stehen die bedeutenden Wissenschaftler F.W. Lancaster (1878 bis 1946), M.W. Kutta (1867 bis 1944), N.J. Shukowski (1847 bis 1921) und L. Prandtl (1875 bis 1953). Eine wichtige Aufgabe war die wissenschaftliche Erklärung der Auftriebsbildung bei Umströmung eines Flügelprofils. Bis zu den Arbeiten dieser Forscher gab es nur eine einfache mechanische Erklärung für die Entstehung des Auftriebs:
„Die Luft drückt dank der Geschwindigkeit auf den angestellten Körper und erzeugt so eine Kraft.“

Die ersten drei der genannten Wissenschaftler erkannten dagegen, daß die Auftriebsbildung vor allem durch eine Zirkulationsströmung um die Tragfläche möglich wird. Diese Erkenntnisse wurden von Prandtl 1914 zu einer einwandfreien Theorie zusammengefaßt, die etwa besagt, daß der Auftrieb durch die Überlagerung einer Parallelströmung mit einer Zirkulationsströmung zustande kommt.

Die Strömungskomponenten

Theoretische Modelle

Das umfassendste Modell sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Es handelt sich hierbei um ein System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung, die ein newtonsches Fluid komplett beschreiben. Insbesondere sind auch Turbulenz und die hydrodynamische Grenzschich enthalten.
Ein einfacheres Modell sind die Euler-Gleichungen, die aufgrund der vernachlässigten Reibung die Grenzschicht nicht abbilden und auch keine Turbulenz enthalten, womit beispielsweise ein Strömungsabriss nicht über dieses Modell simuliert werden kann. Dafür sind wesentlich gröbere Gitter geeignet, um die Gleichungen sinnvoll zu lösen. Für diejenigen Teile der Strömung, in denen die Grenzschicht keine wesentliche Rolle spielt, sind die Euler-Gleichungen dagegen sehr gut geeignet.

Man nimmt an, daß die in Bewegung gesetzte Luft das Profil im ersten Moment nur parallel umströmt. Diese reibungsfreie Parallelströmung kann noch keinen Auftrieb liefern. Sie muß von einer Zirkulationsströmung unterlagert werden, die folgendermaßen ausgelöst wird: Beim Anfahren entsteht hinter dem Profil ein „Anfahrwirbel“, der mit der Strömung davonschwimmt. Ein Wirbel kann jedoch nie allein bestehen, sondern wird stets von einem zweiten, entgegengesetzt drehenden begleitet. Der zweite Wirbel ist in diesem Fall die Zirkulationsströmung um das Profil, die im Gegensatz zum Anfahrwirbel so lange bestehen bleibt, wie die Strömung anliegt. Durch die Überlagerung der beiden Strömungen ergibt sich die bekannte: Druckverteilung am Profil, entstehen Druck und Sog.

Die Größe des Auftriebs ist nun von der Stärke der Zirkulation abhängig und kann nach einer Formel von Kutta und Shukowski berechnet werden. Der experimentelle Nachweis der beiden Wirbel und damit der Beweis für die Richtigkeit der Theorie ist ohne Schwierigkeiten möglich.

Vor den Wissenschaftlern eröffnete sich mit der Entwicklung der Flugtechnik ein weites theoretisches und praktisches Arbeitsfeld, denn die Flugzeuge der Anfangsjahre waren noch weit von den natürlichen strömungstechnischen Vorbildern entfernt. Es galt nach wie vor die Devise Cayleys, daß jedes Pfund eingesparten Widerstandes ein vielfaches Plus an Auftrieb und Leistung bedeutet.

Die Lehre von der Bewegung der Luft und deren Beeinflussung durch Störkörper sowie von den kräftemäßigen und anderen Wechselbeziehungen zwischen der Luft und dem Störkörper. Sie ist Teil der Strömungslehre.
Man unterteilt sie nach Strömungsbereichen in den

a) hydrodynamischen Bereich, in dem sich die Luft aufgrund unbedeutender Kompressibilität (Zusammendrückbarkeit) wie eine Flüssigkeit verhält (M ≤ 0,2), Hydrodynamik,
b) gasdynamischen Bereich, in dem die Kompressibilität eine bedeutende Rohe spielt. Dieser Bereich wird in den
- Unterschall- (unterkritischen, subsonischen) Bereich( 0,2 ≤ M ≤ M_krit),
- den Schall- (überkritischen,transsonischen) Bereich (M_krit ≤ M ≤ 1...1,2),
- den Überschall- (supersonischen) Bereich (1,2 ≤ M ≤ 5) und
- den Hyperschall- (hypersonischen) Bereich (M ≥ 5...8) unterteilt,
in denen jeweils ganz spezifische Erscheinungen auftreten. (Gasdynamik).

Die wichtigsten Gesetze der Aerodynamik sind:
das Gesetz von der Erhaltung der Energie, in vereinfachter Form durch Vernachlässigung der Reibung im Gas als Bernouilische Gleichung bezeichnet,
das Gesetz von der Erhaltung der Masse in Form der Kontinuitätsgleichung sowie das dynamische Grundgesetz (2. Axiom von Newton).
Die Lösung der Aufgaben der Aerodynamik erfolgt durch theoretische Berechnungen, Modellversuche im Windkanal und im Freiflug sowie durch Vergleiche mit physikalischen Analogien, für die die gleichen Differentialgleichungen gelten.
Die Erkenntnisse der Aerodynamik werden in der Profil- und Tragflügeltheorie, Flugmechanik, Windkanaltechnik, aber auch im Städte- und Maschinenbau (Belüftungsanlagen, pneumatische Förderanlagen u. a.) angewendet.

[verg. Tendenzen]