Ursprung der Wirbel

Nachlauf-Turbulenzen sind leicht zu verstehen, wenn Sie wissen, wie ein Flügel Auftrieb erzeugt: Indem Sie die darüber strömende Luft nach unten ablenken. In dieser Antwort hatte ich die Vereinfachung verwendet, einfach die gesamte Luft, die durch einen Kreis mit einem Durchmesser gleich der Flügelspannweite strömt, nach unten zu beschleunigen und die gesamte andere Luft unberührt zu lassen.

Dies hilft, das Prinzip der Auftriebserzeugung zu verstehen, ist aber natürlich zu einfach, da die Abwärtsbewegung der Luft einen Hohlraum darüber erzeugt und die Luft darunter Platz für dieses sich abwärts bewegende Stromrohr machen muss. Das Druckfeld um den Flügel wirkt sich auch auf die Luft in der Nähe des Stromrohrs aus. Infolgedessen wird die Luft von unten bereits vom Flügel zur Seite gedrückt, und die Luft oben beginnt, in Richtung des Niederdruckbereichs zu strömen der Flügel. Diese Seitwärtsbewegung wird hinter dem Flügel stärker ausgeprägt, so dass die Luft kontinuierlich unter dem Nachlauf des Flügels nach außen gedrückt wird, links und rechts davon nach oben und nach innen über dem Nachlauf bewegt wird. Die Trägheit des Downwashs hält es einige Minuten lang nach unten, verdrängt kontinuierlich die Luft darunter und saugt mehr Luft in den darüber liegenden Raum. Dies führt dazu, dass zwei Wirbel hinter dem Flügel wirbeln. Dies ist das Aufrollen des Nachlaufs (siehe die folgende Skizze aus dieser Quelle).

Die Wirbel sind nur eine Folge der Abwärtsbewegung des Kielwassers, und dies ist wiederum 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 zu löschendes Missverständnis. Die folgende Tabelle enthält Berechnungen dieses Wirbelabstands.

Die Tabelle stammt ebenfalls aus dem Carten-Papier von 1971; Beachten Sie die Aufnahme von Boeings 2707-Projekt!

Stärke der Wirbel

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

Da bei höherer Fluggeschwindigkeit mehr Luft durch das Stromrohr strömt, erfordert ein schnelleres Fliegen weniger Ablenkung, wodurch das Nachlaufen erfolgt Wirbel schwächer. Wenn das Flugzeug steigt, wird die Luft mit der Höhe weniger dicht und es steht weniger Massenstrom über dem Flügel zur Verfügung, sodass die Wirbel stärker werden, wenn sich die Fluggeschwindigkeit nicht ändert. Normalerweise beschleunigen Flugzeuge beim Steigen und die Wirbelstärke bleibt gleich, wenn das Flugzeug mit konstantem dynamischen Druck fliegt.

Wirbel können auf drei Arten vermieden werden:

1. Unendlich Flügelspannweite (dh unendlicher Massenstrom, daher ist für keinen Auftrieb eine Durchbiegung erforderlich)
2. Unendliche Geschwindigkeit (ergibt wiederum einen unendlichen Massenstrom)
3. Kein Gewicht des Flugzeugs. Das Fliegen einer Null-g-Parabel erzeugt in der Tat fast keine Nachlauf-Turbulenzen.
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Ende der Wirbel

Trägheit hält den Nachlauf nach unten und die Wirbel drehen sich, aber durch Reibung lassen diese Luftbewegungen innerhalb weniger Minuten nach. Wenn das Flugzeug hoch fliegt, wird das Kielwasser schon lange vor dem Auftreffen auf den Boden aufgelöst. Die Spur von niedrig fliegenden Flugzeugen trifft jedoch auf den Boden und wird abgelenkt. Das Wirbelrohr wirkt jetzt wie ein Rad und beginnt sich nach außen zu bewegen. Bei ausreichendem Seitenwind kann der Wirbel in Luv wie in der rechten Skizze unten (auch aus dem Carten-Bericht) angehalten werden.



Fotografische Beweise

Es gibt viel zu viele hübsche Bilder von Nachlaufwirbeln, um einige nicht aufzunehmen, daher werde ich hier einige hinzufügen:



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



Die Kondensationsspuren entstehen An den Winglet-Spitzen dieses A340 bewegen Sie sich nach innen und oben, was wiederum zeigt, dass der Wirbel nicht von den Spitzen stammt, sondern sich hinter dem Flügel und mit einem Abstand zwischen den beiden Wirbelkernen bildet, der wesentlich kleiner als die Flügelspannweite ist.



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



KLM MD-11 an einem feuchten Tag, Klappen zur Landung eingestellt ( Quelle © Erwin van Dijck). Erstens zeigt es, wie unbedeutend der Spitzenwirbel im Vergleich zu den an den Klappenspitzen vergossenen Wirbeln 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 Schwanz!

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

Die Flügelwirbel werden nicht wirklich durch die "Spitzen" verursacht. Sie sind ein inhärenter Effekt der Erzeugung eines Auftriebs über eine endliche Flügelspannweite. Um Auftrieb (eine Kraft im Flugzeug) zu erzeugen, übt das Flugzeug eine Kraft auf die Umgebungsluft aus (nach Newtons drittem Gesetz). Da sich die Luft frei bewegen kann, beschleunigt diese Kraft sie (gemäß Newtons zweitem Gesetz) nach unten. Aufgrund der Art und Weise, wie Flüssigkeiten wirken, wirkt sich die Kraft auf die Luft sowohl über als auch unter dem Flügel aus (auf eine Höhe, die mit der Spannweite vergleichbar ist), jedoch nicht auf die Seiten.

Direkt hinter dem Flugzeug befindet sich also Luft, die sich nach unten bewegt, und an den Seiten Luft, die still bleibt. Und das sind die Flügelwirbel. Siehe auch John S. Denker: Wie es fliegt, Abschnitt 3.14.

Es gibt einen leichten Aufwind direkt außerhalb der Flügelspitzen, der durch die Querströmung um die Flügelspitze, aber es trägt nur einen winzigen Bruchteil (höchstens ein paar Prozent) zur Zirkulation und dem damit verbundenen Luftwiderstand bei. Es gibt auch einige Turbulenzen, die dadurch verursacht werden, dass man sich einfach mit ausreichender Geschwindigkeit durch die Luft bewegt, aber das ist auch vergleichsweise gering.

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

Wenn das Flugzeug schneller fliegt, wirkt es sich auf mehr Luft pro Zeiteinheit aus, sodass es ausreicht, es auf eine niedrigere Geschwindigkeit zu beschleunigen. Daher sind die Turbulenzen hinter langsamer fliegenden Flugzeugen (z. B. während des Starts oder der Landung) stärker.

Wenn das Flugzeug höher fliegt, ist die Luft weniger dicht (hat eine geringere Masse pro Volumeneinheit) und muss daher beschleunigt werden zu höherer Geschwindigkeit. Daher sind die Turbulenzen hinter höher fliegenden Flugzeugen stärker. Zum Glück fliegen beim Hochfliegen auch Flugzeuge schnell.

Um die Bildung von Flügelspitzenwirbeln zu verstehen und zu verstehen, wie dies zu Nachlaufverwirbelungen 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 niedrigen Druck erzeugt . Hier wird die Struktur des Flügels wichtig.

Dank der Form des Schaufelblatts bildet sich direkt über dem Flügel ein niedriger Druck, und der hohe Druck unter dem Schaufelblatt drückt den Flügel (und damit den ganzes Flugzeug) nach oben. Dies kann mit Hilfe eines Bildes klar verstanden werden:

Flügelspitzenwirbel

Flügel eines Flügels Der Auftrieb wird hauptsächlich durch die Druckdifferenz zwischen der unteren und der oberen Oberfläche des Flügels erzeugt. Die darunter liegenden Luftmoleküle stehen bereits unter Druck, und diejenigen, die sich in der Nähe der Flügelspitze befinden, entweichen um den Flügel herum und wandern nach außen, oben und innen, wodurch Wirbel an der Flügelspitze entstehen.

Die Flügel lassen viele an Moderne Verkehrsflugzeuge dienen auch dem Zweck, die Bildung von Wirbelspitzenwirbeln etwas zu verhindern, indem die Luftmoleküle nach dem Entweichen unter dem Flügel nicht spiralförmig werden.

Wake Turbulence

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

Wake-Turbulenzen sind also nichts anderes als atmosphärische Störungen, die durch Wirbel an der Flügelspitze und in geringerem Maße durch Abgase von Strahltriebwerken verursacht werden. P. >

BEARBEITEN: Der Abschnitt zur Ausarbeitung des Impact Lift wurde entfernt, da es so etwas nicht gibt - mit freundlicher Genehmigung von Peter Kämpf