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Aerodynamik
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Rainer



Anmeldungsdatum: 13.04.2005
Beiträge: 505
Wohnort: Niederrhein

BeitragVerfasst am: Mi 15 Feb 2006, 10:05    Titel: Aerodynamik Antworten mit Zitat

Hallo,
ich habe da mal eine Frage bzw. Diskussionsgrundlage an die Runde.

Beim NRT3 hatte ich mit Paul bereits darüber gesprochen, ob man nicht
zur besseren Aerodynamik von Raketenoberflächen eventuell
auf die Glätte, wie perfekte Babypopo Glätte, verzichten sollte.

Kein Witz, nur eine Ãœberlegung:
Warum sind Golfbälle nicht einfach glatt rund? Nein, sie haben
kleine Einkerbungen um _absichtlich_ Luftverwirbelungen auszulösen,
damit sie nach dem Abschlag schön gerade und weit fliegen.

Ließe sich soetwas auch auf Raketenmodelle übertragen?
Theoretisch bräuchte man _nur_ ein grobes GFK Gewebe einfach nicht
glatt schleifen. Rolling Eyes

Sollte mein Gedanke in dieser Runde zu blöd, kindisch, einseitig, blind
oder zu uninteressant sein -@ Juerg, bitte dann löschen, blamieren kann
ich mich jeden Tag - wenn ich Lust dazu habe Wink

VG
Rainer

P.s. Wer Interesse hat: NRT 2006 ist vom 21-23.4.
Members only, Aussuche vorbehalten Twisted Evil Anfragen an: info@nrt1.de
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Brzelinski



Anmeldungsdatum: 20.10.2005
Beiträge: 460
Wohnort: D 25336 Klein Nordende

BeitragVerfasst am: Mi 15 Feb 2006, 11:42    Titel: Antworten mit Zitat

Die Frage ist wohl nicht so einfach zu beantworten. Je weiniger Wirbel entstehen, desto glatter geht die Strömung über die Oberflache. Was ist aber, wenn die Strömung schon abgerissen ist?
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Rainer



Anmeldungsdatum: 13.04.2005
Beiträge: 505
Wohnort: Niederrhein

BeitragVerfasst am: Mi 15 Feb 2006, 11:52    Titel: Antworten mit Zitat

Gert,
theoretisch richtig, aber auch Fische, z.B. ein blitzschneller Hai,
hat keine Baby Popo Haut, und die Natur ist uns in allen
Punkten deutlich voraus. Question Rolling Eyes
Denk, stutz, überleg... Ist glatt unbedingt auch immer besser ?

Dummerweise habe ich dieses Thema hier unter "Wettbewerb" geöffnet,
weil ich primär an Wettbewerbsraketen dachte. Eigentlich gehört es aber
zu "Aerodynamik"
@ Juerg, verschieben ???

VG
Rainer
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Andi Wirth



Anmeldungsdatum: 27.02.2005
Beiträge: 1317
Wohnort: Sirnach TG

BeitragVerfasst am: Mi 15 Feb 2006, 12:24    Titel: Antworten mit Zitat

Wenn du dich blamieren willst, musst du einen neuen Versuch wagen, mit dem ist es dir nicht gelungen. Wink

Im Ernst:
Der Ansatz ist nicht neu. Nicht umsonst verwenden wir Modellflieger Turbulatoren, um die Strömung zum Anliegen zu zwingen (Grenzschichtbeeinflussung). Das Ziel ist eigentlich immer, die Wirbelbildung zu kontrollieren und laminare Ablösungen zu vermeiden. Diese bringen eine schlagartige Widerstandszunahme und schlecht kontrollierbare Effekte an allen Flächen. In diesem Falle nimmt man lieber den kontrollierbaren Widerstand bei turbulenter Strömung in Kauf.
Allerdings ist dies vor allem dann ein Thema, wenn die Re-Zahl niedrig ist - also kurze Laufstrecken der Strömung (kleine Flächentiefe) und niedrige Geschwindigkeiten. Die Viskosität des Fliessmediums als beeinflussende Grösse lassen wir mal weg; kaum jemand von uns startet seine Raketen auf dem Mars oder unter Wasser.
Da wir - abgesehen von den hohen Geschwindigkeiten und der damit schon hohen Re-Zahl mit wenig Grenzschichtproblemen - bei fast allen Raketen einen eingebauten Turbulator haben (Übergang Nase-Rumpf) ist die gezielte Verwirbelung aber schon fast gegeben. Mehr würde ich nicht tun, weil sonst auch der Widerstand ansteigt: Wenn die Strömung sauber laminar ist, bringt jede noch so kleine Störung eine massive Verschlechterung; wenn sie schon turbulent ist, sollten auch keine weiteren grösseren Störungen mehr auftreten, falls diese zu weit in die Grenzschicht hineinragen. Fazit: Dürfte wohl kaum etwas bringen.

Mikrostrukturen, wie es die NASA bei einer B737 mal mit der berühmten "Haifischhaut" versucht hat, haben AFAIK das Ziel, die Vorteile eines klassischen Turbulators ohne dessen Nachteile zu erreichen: Ein Flugzeugrumpf dieser Kategorie ist nie so glatt hinzukriegen wie z.B. die Oberfläche eines GFK-Seglers. Um dafür zu sorgen, dass die Strömung nach Störungen (Fenster- und Türkanten, leichtes Schieben des Flugzeuges, ...) keine grösseren, Energie fressenden Wirbel erzeugt und sofort wieder anliegt. Also wie oben gesagt eine feine Verwirbelung der Grenzschicht. Aber weil diese Verwirbelungen im Verhältnis zur Länge des Strömungskörpers extrem klein sind, beeinflussen sie die Gesamtströmung nicht.

Was ev. einen Versuch Wert wäre ist der Trick, den Freiflieger (die im Re-Zahl-Bereich unter 60'000 fliegen!!) schon immer angewandt haben: Haarspray. Kein Scherz! Haarspray ergibt eine klar definierte Rauigkeit der Oberfläche und lässt sich wieder abwaschen - also ideal für Versuche. Auf dem Feld die Rakete reinigen, an windgeschütztem Ort fein aufsprayen, starten, abwaschen. Die Freiflieger machen bei neuen Modellen jeweils 50 bis 100 Flüge mit verschiedenen Turbulatorformen, um ein Modell zu opimieren ...
Auf in die Versuchsreihe! Wink

Gruss

Andi

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Das Leben an sich ist lebensgefährlich und endet unweigerlich mit dem Tod. Es sollte verboten werden.
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Rainer



Anmeldungsdatum: 13.04.2005
Beiträge: 505
Wohnort: Niederrhein

BeitragVerfasst am: Mi 15 Feb 2006, 12:50    Titel: Antworten mit Zitat

Tolles Statement.
Danke @ Andi für die umfassende Info Exclamation

M.f.G.
Rainer
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Brzelinski



Anmeldungsdatum: 20.10.2005
Beiträge: 460
Wohnort: D 25336 Klein Nordende

BeitragVerfasst am: Mi 15 Feb 2006, 15:23    Titel: Antworten mit Zitat

Jetzt brauche ich doch ein paar Worte. Andi, das hast du sehr schön gesagt und das bekäme ich garnicht hin. Ich bräuchte schon über eine Stunde, nur um Fehler zu berichtigen.

Aber genau das wollte ich auch sagen.

Viele Grüße, Gert.
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Brzelinski



Anmeldungsdatum: 20.10.2005
Beiträge: 460
Wohnort: D 25336 Klein Nordende

BeitragVerfasst am: Mi 15 Feb 2006, 16:04    Titel: Antworten mit Zitat

Die Luft ist, wenn sie weit genug von Störquellen entfert ist, im wesentlichen laminar, und auch die Strömung über ein Hindernis ist am Anfang laminar. Die laminare Strömung hat eine kleinen Strömungswiderstand.

Die laminare Strömung bleibt aber meistens nicht erhalten. Sie schlägt um in turbulente Strömunmg und folgt dann meistens weiter dem Profil.

Sowohl die laminare Strömung als auch die turbulente Strömung kann sich aber auch von dem Profil ablösen und erzeugt dann einen recht großen Widerstand.

Oft legt sich die laminar abgelöste Strömung ein Stück spätzer wieder turbulent an. Den Weg von laminar abgelöst bis turbulen anliegend versucht man mit vielerlei Methoden zu minimieren.
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Oliver Arend



Anmeldungsdatum: 11.03.2005
Beiträge: 335
Wohnort: Stuttgart, DE

BeitragVerfasst am: Mi 15 Feb 2006, 20:57    Titel: Antworten mit Zitat

Die Golfball-Oberfläche trägt meines Wissens aber vor allem zur Auftriebserzeugung bei, die eine größere Reichweite erlaubt, und nicht zur Widerstandsminimierung.

Oliver

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A ship in a harbor is safe. But that's not what ships are for. -- Laurel Clark
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Andi Wirth



Anmeldungsdatum: 27.02.2005
Beiträge: 1317
Wohnort: Sirnach TG

BeitragVerfasst am: Do 16 Feb 2006, 2:19    Titel: Antworten mit Zitat

Jein ... Wink

Ich weiss nicht, wer von euch Volleyball spielt oder gespielt hat. Ich habe jedenfalls eine Stärke gehabt: Einen für den Gegner ziemlich mühsamen Aufschlag. Mühsam deshalb, weil er kaum einzuschätzen war. Der Ball flog jeweils in einem Zickzack-Kurs durch die Luft. Grund: kein Drall.
Vor einiger Zeit (Jahre???) gab es mal im RMB-Forum einen Thread, wo wir die Bergung von Raketen über den Magnus-Effekt diskutiert haben. Ich hänge die Grafik dazu noch einmal an.
Es geht darum, eine Rakete am OT quer zu legen und sie dann in eine Drehung zu bringen. Was durch die Drehung geschieht ist das Folgende:



Bild 2.png
 Beschreibung:
 Dateigröße:  22.34 KB
 Angeschaut:  7994 mal

Bild 2.png



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Zuletzt bearbeitet von Andi Wirth am Do 16 Feb 2006, 2:29, insgesamt 2-mal bearbeitet
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Andi Wirth



Anmeldungsdatum: 27.02.2005
Beiträge: 1317
Wohnort: Sirnach TG

BeitragVerfasst am: Do 16 Feb 2006, 2:49    Titel: Antworten mit Zitat

Brzelinski hat folgendes geschrieben:
Die Luft ist, wenn sie weit genug von Störquellen entfert ist, im wesentlichen laminar,

Alles Andere würde die gesamte Ströhmungslehre über den Haufen werfen ...
Zitat:
und auch die Strömung über ein Hindernis ist am Anfang laminar.

Genau; solange sie gestaut wird. Sobald sie den höchsten Punkt erreicht (maximaler Staudruck, minimaler statischer Druck), wird es kritisch. Hier gibt es drei Varianten:
    1. Die Strömung folgt trotz abnehmendem Staudruck (=abnehmender kinetischer Energie) noch ein Stück weiter der Oberfläche (versucht man bei sog. Laminarprofilen zu erreichen - siehe Gerds Aussage zum Strömungswiderstand)
    2. Die Grenzschicht wird so breit und die Geschwindikeitsverteilung innerhalb der Grenzschicht parabolisch statt linear, bis sie sich überschlägt und damit in turbulente Strömung umschlägt (versucht man bei Flügelprofilen immer zu erreichen - alles andere ist der GAU ...)
    3. Die Grenzschicht löst sich wegen der geringen Energie vom Untergrund ab, was eine Unterdruckzone zwischen laminarer Strömung und Untergrund veruracht - grosse, energiefressende Wirbel sind die Folge und damit plötzlicher Widerstandsanstieg (bei Flügelprofilen bricht auch der Auftrieb massiv ein - überzogener Flugzustand!)


Zitat:
Oft legt sich die laminar abgelöste Strömung ein Stück später wieder turbulent an. Den Weg von laminar abgelöst bis turbulent anliegend versucht man mit vielerlei Methoden zu minimieren.

Bei laminarer Ablösung kann "ein Stück später" ein ziemlich grosses Stück sein Wink
Bei einem Umschlag zu turbulenter Strömung (kurzer laminarer Abriss) liegt sie sofort wieder an. Deshalb versuchen Fluzeugbauer auch, diesen Effekt zu erzwingen. Moderne Profile arbeiten da mit gezieltem Design, bei dem der Umschlagpunkt mit dem Anstellwinkel genau dorthin wandert, wo man ihn haben will. Vor einigen Jahren wurde mit Ausblasturbulatoren und Grenzschichtabsaugung gearbeitet, was sich im Alltagsbetrieb wenig durchsetzen konnte. Noch früher - bei den frühesten Laminarprofilen - wurde auf einen Betriebspunkt optimiert, mit der Folge, dass in den anderen Bereichen eine deutliche Leistungseinbusse inkauf genommen werden musste (frühe Kunststoffsegler wie die D36 oder ASW 15, z.T. auch die K6E).
Bei Raketen ist eine laminare Ablösung kaum ein Thema, da kommen solche Druckminima kaum vor. Ausserdem hilft die hohe Re-Zahl.

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Zuletzt bearbeitet von Andi Wirth am Do 16 Feb 2006, 13:21, insgesamt einmal bearbeitet
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Andreas Müller



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BeitragVerfasst am: Do 16 Feb 2006, 9:23    Titel: Antworten mit Zitat

Andi Wirth hat folgendes geschrieben:
Ein Ball ohne Drall reagiert auf jede kleine Störung durch Turbulenzen, die es sowohl über Golfplätzen wie auch in Volleyballhallen immer hat.

Das Problem ist die Ablösung der Grenzschicht, die beim Ball eine ziemlich grosse Nachlaufzone hinterlässt. Die Ablöselinie ist schlecht definiert, und kann daher durch lokale Geschwindigkeitsschwankungen leicht verschoben werden. Damit entstehen asymmetrische Geschwindigkeitsverteilungen im Nachlauf, grosse Wirbel, die den ganzen Nachlauf füllen. Damit der Drehimpuls erhalten bleibt, müssen diese Wirbel entweder symmetrisch sein (wie man sie zum Beispiel beim Rudern oder bei den Rauchringen beobachtet), oder alternieren. Nach Actio=Reactio bedeuten alternierende Wirbel auch alternierende Kräfte auf den Ball: Zick-Zack Kurs.

Bei einem Ball ist übrigens interessant, dass der Umschlag der Grenzschicht die Ablöselinie deutlich nach hinten verschiebt, und damit den Nachlauf stark verschmälert, dadurch wird der C_w sogar kleiner (Widerstandskrisis). Man kann das bei Luftballons manchmal beobachten, denen man eine grosse Geschwindigkeit zu geben versucht hat: anfangs fliegen diese relativ schnell, bis sie soweit abgebremst wurden, dass die laminare Grenzschicht sich ablöst, in diesem Moment steigt der Widerstand stark an und der Ballon (da sehr leicht) wird langsamer.

Bei unseren Raketen ist dies kein Faktor: die Ablösung ist meistens sehr klar definiert (am Ende des Körperrohres oder des Boattail), d.h. der Nachlauf ist immer gleich. Entscheidend ist daher der an der Oberfläche entstehende Widerstand, und der ist bei turbulenter Grenzschicht grösser als bei laminarer.

Wie Andi erklärt hat, haben unsere Raketen meist wohldefinierte Umschlagpunkte, was die ganze Geschichte berechenbar(er) macht. Der Haarspray-Trick bewirkt das gleiche. Die optimale Lösung für uns dürfte also sein: eine möglichst glatte Oberfläche, damit man den bei unseren Re-Zahlen fast unvermeidlichen Umschlag möglichst weit nach hinten schieben kann, aber auch eine gut definierte Umschlagstelle, damit asymmetrischen Kräfte oder Oszillationen vermieden werden können.

Würde der Motor während der Freiflugphase noch etwas mehr Gas liefern, könnte er den Nachlauf mit Gas füllen, und damit den Luftwiderstand deutlich reduzieren. Die Ballistiker erreichen mit sogenannten Base Bleed Geschossen, bei denen ein Brennsatz im Geschossboden genau dies bewirkt, eine deutliche Reichweitensteigerung.


Zuletzt bearbeitet von Andreas Müller am Do 16 Feb 2006, 16:49, insgesamt einmal bearbeitet
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Andreas Müller



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Beiträge: 2493
Wohnort: Altendorf

BeitragVerfasst am: Do 16 Feb 2006, 10:11    Titel: Antworten mit Zitat

Andi Wirth hat folgendes geschrieben:
Brzelinski hat folgendes geschrieben:
Die Luft ist, wenn sie weit genug von Störquellen entfert ist, im wesentlichen laminar,

Alles Andere würde die gesamte Ströhmungslehre über den Haufen werfen ...

Dies ist vor allem eine Frage der Skala. Der dynamische Meteorologe stellt sich die planetare Grenzschicht zum Beispiel etwa 100m dick vor. Seine Strömungsgeschwindigkeiten sind relativ klein, aber da die Erde eher am oberen Ende der Längenskala ist, bekommt er trotzdem beträchtliche Re-Zahlen, turbulente Grenzschicht ist die Norm. Die Längenskala der Geschwindigkeitsschwankungen in der planetaren Grenzschicht ist aber so gross, dass man für kleine, schnelle Objekte (Flugzeuge, Modellraketen) die Strömung oft als laminar ansehen kann. Dies stellt natürlich auch Windmessungen nur 10m über Grund in Frage: was wird hier eigentlich gemessen?

Noch extremer sind die Verhältnisse in der freien Atmosphäre. Dort haben die interessierenden Features eine Längenskala von hunderten von Kilometern. Entlang von Grenzflächen (grössere Geschwindigkeiten) oder bei Konvektion (ditto) kommt es zu kleinräumigeren Turbulenzen, welche dann auch für Flieger mehr oder weniger heftig spürbar werden.
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Andi Wirth



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BeitragVerfasst am: Do 16 Feb 2006, 12:40    Titel: Antworten mit Zitat

Andreas Müller hat folgendes geschrieben:
Dies ist vor allem eine Frage der Skala. Der dynamische Meteorologe stellt sich die planetare Grenzschicht zum Beispiel etwa 100m dick vor.

Shocked
Wir rechnen bei Flugmodellen mit 1-2mm ...

Wobei dann die Grössenordnungen wohl wieder vergleichbar sind; ja sogar die Grenzschicht beim Flugmodell relativ zur umströmten Länge erheblich dicker ist (3-10‰). Nur - was ich mich da Frage - was nimmt denn der Meteorologe als Bezugslänge an? Ein Rasterquadrat? Einen Querschnitt durch den Kontinenten? Den Erdumfang? Oder vermute ich richtig, dass diese Bezugslänge keine Relevanz hat, da ihr sowieso mit numerischen Methoden in gedachten und definierten Würfeln rechnet?

Die Erde als umströmter Körper, bei dem die Strömung durch Vorgänge auf dem Körper selbst in Gang gehalten wird und wo praktisch keine Strömung ausserhalb stattfindet ... Ist mal eine ganz andere Betrachtungsweise, auch wenn das wohl hier nicht mehr das Thema ist.

Gruss

Andi

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Zuletzt bearbeitet von Andi Wirth am Do 16 Feb 2006, 13:35, insgesamt einmal bearbeitet
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Andreas Müller



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BeitragVerfasst am: Do 16 Feb 2006, 13:31    Titel: Antworten mit Zitat

Andi Wirth hat folgendes geschrieben:
Andreas Müller hat folgendes geschrieben:
Dies ist vor allem eine Frage der Skala. Der dynamische Meteorologe stellt sich die planetare Grenzschicht zum Beispiel etwa 100m dick vor.

Shocked
Wir rechnen bei Flugmodellen mit 1-2mm ...

In der Atmosphäre wäre das die Grössenordnung der zähen Unterschicht (also der Schicht, in der die zähe Reibung dominiert, mit linearem Geschwindigkeitsprofil). Der genannte Wert bezieht sich auf die Prantl-Schicht, in ihr findet man ein logarithmisches Windprofil bis zu 70-80% der Geschwindigkeit der freien Atmosphäre. Daher nehmen manche Leute auch noch die Ekman-Schicht dazu, in der die Reibung immer noch wesentlich zum Windfeld beiträgt. Die Ekman Schicht ist noch etwa 10mal mächtiger als die Prantl-Schicht.

Die meisten unserer Raketen bleiben also vollständig innerhalb der planetaren Grenzschicht Wink
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Andi Wirth



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BeitragVerfasst am: Do 16 Feb 2006, 13:38    Titel: Antworten mit Zitat

Du zitierst meinen Post, während ich ihn editiere ... Das muss man auch zuerst mal schaffen! Laughing
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