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Grenzschicht

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Der Begriff Grenzschicht für Fluide wurde Anfang des 20. Jahrhunderts vom deutschen Physiker Prandtl geprägt. Er bezeichnet damit das auf Molekularkräfte zurückgehende Phänomen, dass Fluide (in unserem Fall Gase wie z.B. Luft) an Oberflächen sozusagen anhaften. Motivation zur Entwicklung der Grenzschichttheorie war, die Navier-Stokes Gleichungen (diese beschreiben Strömungsprobleme in allgemeingültiger Form) soweit zu vereinfachen, dass sie mit den damals zur Verfügung stehenden mathematischen Hilfsmitteln mit ausreichender Genauigkeit gelöst werden konnten. Prandtl tat dies mit dem Kunstgriff, die Strömung in die Grenzschichstömung in Körpernähe, und Potentialströmung außerhalb zu unterteilen. In der Grenzschicht sind vor allem Viskositätseffekte wirksam, währen diese in der Potentialströmung ignoriert werden können. Es zeigte sich, dass diese Vereinfachung die Realität in vielen Fällen (bei ausreichend hoher Re-Zahl aber noch kleiner Mach-Zahl) sehr gut abbildet.

Mit Grenzschicht selbst bezeichnet man den Bereich in der Nähe eines Festkörpers, in dem dieser eine ihn umgebende Strömung wegen der Viskosität bremst. Beim Tragflügel wird außerdem Luftwiderstand durch die umgebende Potentialströmung erzeugt. Dies erzwingt das Prinzip der Energieerhaltung (s.a. Luftkräfte durch Tragflächen).

Neben ihrer thermisch isolierenden Eigenschaft, die uns hier weniger interessiert, ist insbesondere die Art der Strömung innerhalb der Grenzschicht relevant, denn sie beeinflusst den Strömungswiderstand erheblich.

Im Bereich laminarer Strömung ist die Grenzschicht ein rein molekularer Effekt, weswegen sich die Beschaffenheit der Oberfläche eines Tragflügels spürbar auf den Luftwiderstand auswirkt. Hier gleicht sich die Strömungsgeschwindigkeit von der Oberfläche bis zur Dicke der Grenzschicht je nach mathematischem Modell logarithmisch oder parabolisch an die Umgebungsgeschwindigkeit an. Abhängig von der Re-Zahl beträgt die Dicke der laminaren Grenzschicht bei einem Modellflugzeug wenige Millimeter.

Da bei laminaren Strömung keine nennenswerte Bewegung der Moleküle vertikal zur Strömungsrichtung stattfindet, wird auch von "energiearmer" Grenzschicht gesprochen, es wird keine Energie in die oberflächennahen Bereiche nachgeführt.

Bei turbulenter Strömung ist die Bewegung der Luftmoleküle innerhalb der Grenzschicht chaotisch, was die Dicke der Grenzschicht, die Reibungsverluste und damit den Luftwiderstand erhöht.

Da durch die Turbulenzen Moleküle aus der äußeren Grenzschicht in Richtung Oberfläche gespült werden, spricht man auch von einer "energiereicheren" Grenzschicht. Bei der Betrachtung laminarer Ablöseblasen und Turbulatoren werden diese Zusammenhängen benutzt.

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