Surfboardfinnen in Doppeldeckerkonfiguration stehen derzeit nicht oben in den Forschungsagenden der Namhaften und es bleiben im Laborbetrieb relativ einfach darstellbare, auf der Wechselwirkung von Wirbeln basierende Strömungsphänomene, unbetrachtet. Dennoch sind sie eine Option in maritimer Zukunftstechnik. Sobald man nur genauer hinschaut, sind Doppeldeckertragflächen ein wunderbares Beispiel anwendungsbezogener Bionik.
Tragflächen in Doppeldeckerkonfiguration können fluidmechanisch miteinander wechselwirken derart, dass die durch das Auftriebsgebaren der Einzeltragflächen erzeugten und stromabwärts abfließenden Randwirbel ein mantelförmiges Wirbelspulensystem generieren, das in seinem Kern einen beschleunigten Fluidmassenstrom, eine beschleunigte Strömung, induziert.
Die Theorie der fluidmechanischen Wirbelspule ist Teil einer verallgemeinerten Feldtheorie. Die Ausführungen können experimentelle und numerisch-analytische Untersuchungen zu fluidmechanische Wirbelspulen an Doppeldeckerkonfigurationen kontextuell ergänzen.
Inhaltsverzeichnis
1. Zur Phänomenologie der strömungsmechanischen Wirbelspule
2. Zur Tragflügeltheorie
3. Phänomenologie der fluidmechanischen Wirbelspule
4. Geschwindigkeitsbeiträge im Strömungsfeld
5. Zur Induktionswirkung eines Wirbelfadenelements
6. Weiterführende Literatur und Bibliographie
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Phänomenologie von fluidmechanischen Wirbelspulen, die durch die Wechselwirkung von Randwirbeln an Doppeldeckerkonfigurationen (insbesondere bei Surfboardfinnen) entstehen, um deren Potenzial als Energieumwandlungssysteme zu evaluieren.
- Analyse der Tragflügeltheorie und der Entstehung von Wirbelspulen
- Mathematische Herleitung von Geschwindigkeitsfeldern und Wirbelstärken
- Quantifizierung der Induktionswirkung von Wirbelfadenelementen
- Diskussion des Potenzials als Antriebs- oder Energiewandlungssystem
- Betrachtung von Modellannahmen und praktischen Laborergebnissen
Auszug aus dem Buch
Phänomenologie der fluidmechanischen Wirbelspule
Nach der Tragflügeltheorie hängt die Auftriebskraft einer umströmten Tragfläche alleine von der Zirkulation ab [Schl-67]. Überlagern sich an einem Strömungskörper (bei einer zweidimensionalen Modellvorstellung in der Profilebene des Strömungskörpers) ein translatorisches und rotatorisches Strömungsfeld, kommt es infolge der Zirkulation um diesen Körper zu Verzögerung der Strömung auf der einen und zu einer Beschleunigung der Strömung auf der anderen Seite. Nach der Bernoullischen Beziehung führt die Beschleunigung zu einer Druckminderung, die Verzögerung zu einer Druckerhöhung. Im Falle eines Tragflügels wird dies als Auftriebskraft spürbar. Für einen angeströmten, endlichen Tragflügel ist die Auftriebskraft elliptisch über den Auftrieb erzeugenden Körper verteilt. Infolge des Druckgradienten kommt es am materiellen Ende der Tragfläche zu einer Umströmung der Tragflächenkante. Im Nachlauf der Kantenumströmung bildet sich nun ein kompakter Wirbel aus, der in der Literatur als „durch den Druckgradienten induzierter Randwirbel“ beschrieben wird. Der induzierte Randwirbel bindet einen erheblichen Anteil der zur Erzeugung der Auftriebskräfte des Systems aufgebrachten Energie.
Der Wirbelfaden im Nachlauf einer Auftrieb erzeugenden Tragfläche ist sehr stabil. Windkanaluntersuchungen und numerische Strömungssimulationen können das Umströmungsgebaren an den Enden Auftrieb erzeugender Strömungskörper klären und visualisieren. Dabei zeigt sich, dass jeder durch das Auftriebsgebaren einer Tragfläche induzierter Wirbelzopf hinsichtlich seiner Geschwindigkeitsverteilung in seinem Querschnitt kompakt ist und ein graduelles rotatorisches Fernfeld ausbildet. Bei einem Doppeldecker existieren zwei kompakte Wirbelzöpfe gleicher Drehrichtung und ähnlicher oder in einem günstigen Fall, gleicher Intensität.
Zusammenfassung der Kapitel
Zur Phänomenologie der strömungsmechanischen Wirbelspule: Einführung in die Thematik der Doppeldeckerkonfigurationen und Definition des Phänomens der fluidmechanischen Wirbelspule.
Zur Tragflügeltheorie: Theoretische Herleitung der Grundlagen des Auftriebs und der durch Induktion entstehenden Randwirbel nach der Theorie erster Ordnung.
Phänomenologie der fluidmechanischen Wirbelspule: Detaillierte Untersuchung der physikalischen Prozesse, die zur Entstehung und Stabilität von Wirbelzöpfen bei Doppeldeckerkonfigurationen führen.
Geschwindigkeitsbeiträge im Strömungsfeld: Mathematische Beschreibung der Geschwindigkeitsfelder und Anwendung des Gesetzes von Biot und Savart auf die Zirkulation.
Zur Induktionswirkung eines Wirbelfadenelements: Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Wirbelfadenelementen und Berechnung der induzierten Geschwindigkeiten im Strömungsfeld.
Weiterführende Literatur und Bibliographie: Auflistung der verwendeten Quellen und weiterführenden Fachliteratur zur Aerodynamik und Bionik.
Schlüsselwörter
Doppeldecker, Tragflügeltheorie, Wirbelspule, Randwirbel, Strömungsmechanik, Zirkulation, Biot-Savart, Induktion, Auftrieb, Bionik, Wirbelfaden, Strömungsfeld, Energiewandlung, Aerodynamik, Wirbelzopf
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der physikalischen Beschreibung und Analyse von Wirbelphänomenen, die an in Doppeldeckerkonfiguration angeordneten Tragflächen auftreten.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen sind die Tragflügeltheorie, die Entstehung von induzierten Randwirbeln und die Möglichkeiten zur energetischen Nutzung dieser Wirbelstrukturen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, die Phänomenologie der strömungsmechanischen Wirbelspule zu verstehen, um diese für technische Anwendungen in der Bionik und Strömungstechnik nutzbar zu machen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine Kombination aus klassischer aerodynamischer Theorie, mathematischer Herleitung der Geschwindigkeitsfelder und der Auswertung von Beobachtungen aus dem Laborbetrieb verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil widmet sich der mathematischen Beschreibung der induzierten Strömungen, der Berechnung der Wirbelstärken und der Herleitung der auftretenden Kräfte an einem Doppeldecker-System.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird primär durch Begriffe wie Doppeldeckerkonfiguration, Wirbelspule, Zirkulation, induzierter Widerstand und Strömungsmechanik definiert.
Welche Rolle spielt die Doppeldeckerkonfiguration für die Wirbelentstehung?
Durch die Anordnung zweier Tragflächen interagieren die Randwirbel beider Einheiten, was zur Ausbildung einer kompakten und stabilen Wirbelspule führt.
Ist die Wirbelspule zur Energiegewinnung effizient?
Die Arbeit deutet an, dass das Konzept ein bisher unterschätztes Potenzial für die fluidmechanische Energiewandlung bietet, auch wenn die praktische Umsetzung hohe Anforderungen an die Systemsteuerung stellt.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor:in), 2017, Zur Phänomenologie der strömungsmechanischen Wirbelspule, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/353874
