Maximaler Anstellwinkel?

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  1. niedi5

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    Hallo.
    Ich bin eigentlich Architekt und habe mich im Rahmen eines Projektes, das sich mit Gebäudeaerodynamik auseinandergesetzt, mit dem Flugzeugbau beschäftigt.

    Es ist mir klar, dass der maximale Anstellwinkel je nach Profil und Flugzeugtyp unterschiedlich ausfällt. Mich würde interessieren, wie groß ca. der maximal mögliche Anstellwinkel (inklusive Auftriebshilfen – Vorflügel usw.) eines Flugzeuges ist, ohne dass die Strömung abreißt, und wie würde dieses Profil ungefähr aussehen (Symmetrische Wölbung, Gerade Unterkante…). Auch der Flugzeugtyp ist mir egal. Es geht mir in erster Linie darum, wie ein Profil und die Auftriebshilfen aussehen müssen um einen maximalen Anstellwinkel zu ermöglichen.

    Mir geht es im Endeffekt darum ein Gebäude in Flügelform zu entwerfen, bei dem durch wind auf einer Seite Sog entsteht. Da der Wind aber drehen kann, muss ich wissen welchen Spielraum ich habe.

    Danke für jeden Tipp.
     
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  3. VJ101

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    Das ist ja mal eine ziemlich ungewöhnliche Anfrage hier im FF:-)

    Auf die Schnelle habe ich mal diese Abbildung gefunden, die dir vielleicht erstmal weiterhilft. Der angegebene Winkel ist der Anstellwinkel bei maximalem Auftrieb.

    Wie du schon selbst geschrieben hast, hängt das sehr von der Art des Profils ab, und der Art und Anzahl der Klappen bzw Klappensysteme. Ich hab leider grad nicht mehr Zeit, sonst könnte ich in meinen Unterlagen noch mehr Infos raussuchen. Aber ich bin sicher das andere hier dir noch detaillierter weiterhelfen können.
     
  4. #3 Andretti, 15.10.2008
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    Ich denke auch, das ist eine ziemlich komplexe Frage!
    Also der Auftrieb berechnet sich aus dem Staudruck( Dichte/2 x Geschwindigkeit), der Flügelfläche und dem Auftriebsbeiwert. Dieser widerum ist abhängig vom Anstellwinkel und vom Nullauftriebsbeiwert.

    Für jeden Flugzeugtyp gibt es unterschiedliche Diagramme mit den entsprechenden aerodynamischen Daten.

    Es gibt also viele verschiedene Kenngrössen die den Auftrieb bzw. Strömungsabriss also max. Anstellwinkel beeinflussen.

    Mir selber liegen im Moment nur die Daten eines A300 vor. Das ist ein Thema das man wie gesagt für jeden Flugzeugtyp gesondert betrachten muss.

    Hoffe ich konnte ein wenig helfen!
     
  5. niedi5

    niedi5 Sportflieger

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    Danke für die bisherigen Antworten.
    Kann man außerdem sagen welche Profilform (Achssymmetrisch, untere Seite gerade…) für einen Steileren Anstellwinkel = langsameren Flug besser geeignet ist?
     
  6. #5 Capovau, 16.10.2008
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    Capovau Guest

    Ganz pauschal ist immer so eine Sache....

    Also, in der Regel sind dicke Profile mit hoher Wölbung im Langsamflug bevorteilt.

    Aber wie jede pauschale Aussage ist die sicher auch fallweise wieder mit Gegenbeispielen zu belegen.

    Gruß
    Thomas
     
  7. #6 Schorsch, 16.10.2008
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    Wie mein Vorredner bereits gesagt hat, eignen sich dicke positiv gewölbte Profile am besten dafür. Anstellwinkel liegen im Bereich bis zu 20°. Dahinter reißt glaub ich bei so ziemlich jedem Profil die Strömung ab.
     
  8. niedi5

    niedi5 Sportflieger

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    Sind diese dicken, positiv gewölbten Profile in der Regel Achssymmetrisch (wie ein Regentropfen) oder an der Unterseite abgeflacht / begradigt.
    Zu den 20 Grad wollte ich noch wissen, ob die sich auf das Reine Profil beziehen oder bereits mit Auftriebshilfen?
     
  9. gero

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    Hallo,

    Für langsame Geschwindigkeiten (vereinfacht gesagt) unten flach, oder zumindest weniger gewölbt. In bestimmten Situationen (z.B. für besonders geringe Geschwindigkeiten) auch konkav gewölbt. Häufig machen die Auftriebshilfen nichts anderes als eine Konkavwölbung.

    Die 20 Grad sind schon recht viel, 15-16° ist, soweit ich weiß, eher der Bereich, bei dem die Strömung abreißt.

    gero
     
  10. #9 Acanthurus, 16.10.2008
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    Hallo und guten Tag.

    Ihr müsst eure Denke bei solchen Betrachtungen vom gewöhnlichen Flügelprofil wegnehmen und wie ein Gebäude-Aerodynamiker rechnen.
    Denen ist eine Strömungsablösung erst mal gar nicht so wichtig, da es meist nicht auf Widerstand ankommt - wenigstens dann nicht, wenn wie im vorliegenden Fall eine GRÖSSTmögliche WIndlast erzeugt werden soll.

    Die wichtigsten Grundeigenschaften wurden genannt.

    -VIEL Wölbung, um viel Auftrieb zu erzeugen.
    -VIEL Dicke, genauergesagt ein großer Nasenradius, u.A. um die Empfindlichkeit gegen Falschanströmungsrichtung zu reduzieren und die Saugseite zu betonen.
    -Wir dürfen uns eine recht große Wölbungsrücklage erlauben.

    Allerdings dürfen wir VIEL dickere Profile verwenden, als an Flugzeugen üblich.
    Ein einfacher Kandidat wäre z.B. ein NACA9545.

    Ja, richtig gelesen:
    9% Wölbung (weil mit vierstelligen Nacas offiziell nicht mehr geht)
    50% Wölbungsrücklage (symmetrische Skelettlinie, der Einfachheit halber)
    45% Dicke (wir wollen ja auch ein GEBÄUDE dazwischen unterbringen, right?)

    Das sieht so aus:
     

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  11. #10 Acanthurus, 16.10.2008
    Zuletzt bearbeitet: 16.10.2008
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    Dass mit sowas keiner FLIEGEN geht sollte klar sein.
    ABER:
    für den Testfall Gebäudelänge 20m Windgeschwindigkeit 10m/s haben wir schon ne Reynoldszahl von 12 Millionen. Die Strömung liegt im Bereich von eeetwa -20° bis +25° VOLLSTÄNDIG an! Darüberhinaus beginnen allmählich Ablösungen, der Auftrieb sättigt bei Ca=2, bleibt aber bis JENSEITS VON 50° recht stabil.
    Wir sind also extrem tolerant, was die falsche Windrichtung angeht, und das bisschen Ablösung tut gar nicht weh.
     

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  12. #11 Acanthurus, 16.10.2008
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    Wir treibeun uns über weite Strecken der Saugseite bei Druckbeiwerten cp=-3 und noch heftiger rum... Bild anbei für den bescheidenen Anstellwinkel von 16°. Das "sogt" schon gewaltig.

    Natürlich könnte man da jetzt noch einiges an Optimiererei machen.
    Mir gehts nur darum, dass man sich dabei gedanklich von der klassischen Profiltheorie (Skelettlinie+Wölbung, Wölbung <<1, Dicke <<1) wegbewegen muss und eher in die Rubrik "Turbinenleitschaufel" oder "Coanda-Effekt" einrasten muss. Ein Flügel-Experte ist der falsche Mann dafür, wie die doch sehr zaghaften geäußerten Vermutungen von 15-20° max. Anstellwinkel vermuten lassen.

    gruß

    a.p.
     

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  13. niedi5

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    Danke Acanthurus!!!
    Das war eine wirklich extrem hilfreiche Antwort. Nur bei einem Thema hab ich mich vielleicht falsch ausgedrückt. Ich will nicht an einem Punkt eine maximale Windlast erzeugen, sondern im Idealfall möglichst gleichmäßig über das Profil verteilt. Inwieweit ändert sich dann die Profilform?

    Und noch eine Frage zu deiner Erläuterung: -25° bis +45°…D.h. in diesem Fall hätte ich einen Spielraum der Windeinfallsrichtung von 70°?
     
  14. #13 Acanthurus, 16.10.2008
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    Die Tatsache, dass du über einen weiten Anstellwinkelbereich sehr geringe Drücke (cp<-3) hättest, resultiert mehr oder weniger aus dem hohen Auftriebsbeiwert.
    Die Tatsache, dass er bei fast konstanten CA-Werten sättigt und konstant bleibt deutet darauf hin, dass du in einem großen Winkelbereich brauchbare Unterdrücke vorliegen hast. Bei stark negativen Anstellungen (-25 bis -10°) wird das aber nicht funktionieren. Allerdings kannst du vermutlich über 50° hinaus gehen, da die Ablösung mit steigendem Anstellwinkel allmählich, von der Hinterkannte nach vorne schreitend, erfolgt.
    AblöseFREI musst du also gar nicht sein.

    Wenn es dir aber v.A. um verlässliche Unterdruck-Gebiete geht, dann sollte man auch über Längswirbel-Generatoren o.Ä. nachdenken, da gibt es noch einige Sachen in der aerodynamischen Trickkiste.
    Eine genauere beschreibung der Anforderung/Aufgabe der "aerodynamik" wäre da hilfreich.
     
  15. niedi5

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    Danke Acanthurus, jedenfalls schon mal für diese Hinweise. Ich habe bisher leider wirklich niemanden gefunden, der mir so großem Fachwissen weiterhelfen konnte.

    Genau gesagt geht es darum:
    Ich schreibe gerade an meiner Diplomarbeit mit dem Thema: „Nutzung der Gebäudeaerodynamik zur Verbesserung des Raumklimas am Beispiel eines Kite-Centers auf Sylt“.
    Konkret geht es darum eine Gebäudeform zu entwickeln, die durch das Umströmen des Windes auf der Außenhaut eine möglichst gleichmäßige Sogwirkung entstehen lässt. Die Fassade ist 2- Schalig aufgebaut, aus der dann über Lüftungsklappen Luft angesaugt wird (Zuluft befindet sich unter dem Gebäude). Somit soll auf eine künstliche Klimatisierung weitestgehend verzichtet werden.
    Sylt ist geprägt von relativ gleichmäßigen Westwinden. Wie der Windrose (Grafik) zu entnehmen ist, sind die relevanten Windrichtungen ca. SW-NW. Das Gebäude soll nach Westen orientiert sein und bei drehendem Wind möglichst lange und möglichst gleichmäßig eine Sogwirkung erzeugen.

    Kannst du mir also bitte noch einen Tipp für das annähern an die Gebäudeform geben?
     

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  16. #15 Acanthurus, 17.10.2008
    Zuletzt bearbeitet: 17.10.2008
    Acanthurus

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    Hi..

    prinzipiell muss dir klar sein dass du an quasi JEDEM umströmten Körper auch Überdruck-Gebiete hast. Die relative Lage von Saug- und Druckgebieten hängt stark von der Anströmrichtung ab. Für dich sind imho mehrere Sachen besonders wichtig:

    1. Korrektes Management von "welches Fenster ist offen und welches Fenster ist zu"
    2. Effektive Zuleitung, d.h. geringer Druckverlust in den Sammelleitungen, evtl. sogar ein Aufstauen der Zuluft durch den Wind
    3. ein brauchbares Durchströmungskonzept IM Gebäude.
    4. Eine Begrenzung der Durchströmung, denn sonst wird das äußere Druckgebilde zu sehr von dem inneren Druckgebilde beeinflusst. Insbesondere bekommst du quasi interne Verbindungsströmungen auf die Stelle mit dem niedrigsten Druck zu.

    Insbesondere bei gewölbten Profilen (wie in meinen Bildern gezeigt) hast du gravierende Unterschiede zwischen Saug- und Druckseite.

    Ein "normales" Profil (für die Luftfahrt) gibt sich sehr viel Mühe, im hinteren Bereich, auf die Hinterkante zu, möglichst viel Druck zurückzugewinnen, denn ein hoher Druck auf die schräg nach hinten gewandten hinteren Profilteile wirkt wie ein "Schub", d.h. der Profilwiderstand wird damit reduziert.
    Profilwiderstand kann dir aber eigentlich völlig egal sein, weshalb du eigentlich nur die vorderen 3/4 eines Profils "brauchst".
    Auf den ersten Blick würde man deshalb vielleicht sowas wie einen elliptischen Grundriss wählen.... schöne Sogwirkung auf BEIDEN Seiten des Gebäudes, unempfindlich gegen Schräganströmung etc.
    Jetzt aber das ABER: Der Sog allein ist ja nicht unser einziger Gesichtspunkt.
    Wenn wir ein Profil bewusst mit vollständiger, turbulenter Ablösung verwenden, dann ist die Lage der Ablösung auf dem Profil stark veränderlich... abhängig von der Anströmrichtung, und auch bei einigermassen konstanter Anströmung infolge der Turbulenz.
    Wenn du jetzt z.B. einen Glasbau hast, dann wackelt je nach Windrichtung ein anderes Fenster ;) das schöne Sturm-Wummern.
    Wenn das dann versehentlich (infolge der Innenarchitektur) auf einen "passenden" Helmholtz-Resonator trifft (z.B. die Besenkammer), dann wir das echt ätzend.
    Nicht sehr wohnlich, und der entstehende Lärm pflanzt sich durch die Luftschächte der Zuführung auch fort.
    Deshalb: dafür sorgen, dass die (unvermeidliche) Ablösung gezielt und kontrolliert auftritt... z.B. durch entsprechende Ecken mit Abrisskante auf der Leeseite.
    Gebäude-Aerodynamik ist infolge der Schwierigkeiten bei der Modellierung stark wirbelbehafteter, abgelöster Strömungen auch heute noch eine EXPERIMENTELLE Wissenschaft... ich mach dir mal ne Skizze, wie ich (intuitiv) sowas angehen würde... mooooooment..

    Ergänzt...
    aaaalso: Grundriss "amputierte Ellipse". Sämtliche Sogwirkung kommt aus der DICKE anstatt der Wölbung. Das macht die Sache symmetrisch und ermöglicht mehr Gebäudevolumen auf gegebener Grundfläche.
    Am amputierten Ende je eine Abrisskante, welche so etwa Gurney-Flap-artig ausgebildet ist. Dort könnte man auch den windgeschützten Eingangsbereich unterbringen... wird halt keine Sonnenterrasse, auf der Ostseite.
    Als "Deckel" eine Endscheibe, umd die Druckverluste infolge Kantenumströmung zu minimieren.

    Das ist sicherlich nicht die optimale Lösung, um maximalen unterdruck zu erzeugen, aber im vorliegenden Fall dürfte es viel wichtiger sein,
    -gleichmässig
    -fehlanströmungstolerant
    -großflächig
    -stationär (d.h. ohne "wummernde Wirbel" im relevanten Bereich)
    zu sein.

    gruß

    a.p.
     

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  17. niedi5

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    Absolut Klasse! Viele Dank für deine Hilfe. Kommst du aus dieser Branche (Gebäudeaerodynamik)?

    Nochmal zu deiner Skizze: Würde es bei dieser Form jetzt noch sinn machen so eine Art steuerbare / schwenkbare „Vorflügel“ auszubilden um die Toleranz für windschwanken zu erhöhen?
    Ich nehme mal an, die Anströmrichtung ist hier von links gewählt. Bis zu welcher Winkeltoleranz hätte ich hier dann in etwa eine abrissfreie Umströmung, sodass die Flaps wirksam werden? Würde e sinn machen für diesen Körper z.B. bei Wind aus NW an SO Richtung ebenfalls mit solchen Flaps zu versehen? Oder würde das die Hauptwindrichtung extrem beeinflussen.
     
  18. #17 Acanthurus, 17.10.2008
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    Hi..

    Nein, ich bin KEIN Gebäude-Aerodynamiker :red:

    In der (ernstzunehmenden) Strömungsmechanik kommt die Strömung IMMER von links ;) das ist der sogenannte 0. Hauptsatz der Strömungslehre!

    Vorflügel bringen bei so einer runden, fetten Nase nichts. Vorflügel dienen dazu, bei starken Saugspitzen an den kleinen Nasenradien von Profilen die Strömung weiter anliegen zu lassen. Hier würde sie nicht ablösen. Was eher was nützen würde wären Leitbleche im hinteren Bereich (so ab der Mitte).

    "echte" Klappen nützen eigentlich nur dann was, wenn sie entsprechend intelligent gesetzt werden (was natürlich möglich wäre, evtl. sogar passiv/automatisch, wie man das bei Vorflügeln gemacht hat). Aber bedenke auch die IMMENSEN Windlasten, die auf so eine Struktur wirken würden. Auf Sylt mal eben 50m^2 Klappenfläche in den Wind halten, das muss gut durchkonstruiert werden, damit es nicht beim ersten Sturm schon in Dänemark liegt.

    Wenn du jetzt mal bedenkst, wie es selbst bei mir im Schwabenland durch ein Reihenendhaus durchpfeift wenn ich nur zwei Fenster öffne, dann wird klar dass man so extreme Druckverhältnisse gar nicht braucht. Die Kunst einer guten Lüftung besteht aus hohem Volumenstrom mit geringer Geschwindigkeit. Alles andere zieht wie Hechtsuppe. Vorab also erstmal die tatsächlichen Bedürfnisse an Druckdifferenz und Massenstrom prüfen, bevor gleich der Maximalsog "bestellt" wird.

    Am Rande noch:
    Den Blödsinn mit den Wirbelgeneratoren, den ich dir an anderer Stelle schon empfohlen habe, vergiss schnell wieder :rolleyes: Der wäre für diese Anwendung der falsche weg (instationäre, LAUTE Strömung).

    gruß

    a.p.
     
  19. niedi5

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    Wofür wären dann die Klappen / Leitbleche? Würden die einige Meter vor dem Gebäude sitzen um z.B. NW Winde gerichteter auf das Gebäude strömen zu lassen, oder um ein abreißen zu verhinden?
     
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  21. #19 Acanthurus, 17.10.2008
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    So, anbei eine Skizze, wie ich mir so laienhaft die Leitbleche vorstellen würde.

    Der Grundentwurf besteht aus einem Kreisbogen und Geradensegmenten... leichter zu bauen und schafft "faire" Platzverhältnisse.
    Anstatt dieser Grundform könnte man aus aerodramatischer Sicht besser ein Eppler 862 Strebenprofil verwenden... sieht ähnlich aus (fast gerade Verläufe im hinteren Bereich), hat aber eine bessere und extrem anstellwinkeltolerante Nasenform (google Eppler 862 strut).

    Ob die Bleche in der Skizze so perfekt passen bleibt zu bezweifeln, aber man sieht die prinzipielle Funktionsweise: sie sollen auf der Oberseite (bei pos. Anstellwinkel) der Strömung das Folgen der Kontur aufzwingen. Im hinteren Bereich kann man dann auch noch ein Aufweiten vorsehen, um mit der dadurch entstehenden Diffusorwirkung noch etwas unterdruck im Mittenbereich rauszuholen (Der Diffusor ERHÖHT den Druck hinten, und "saugt" quasi die Strömung um die Ecke. Übertreiben darf man das allerdings nicht, sonnst reisst die Strömung im Diffusor ab und er blockiert.

    Wohlgemerkt: Das ist jetzt alles keine wirklich durchdachte und geprüfte Konstruktion, sondern nur ein auf aerodynamischer Intuition (und sowas kann MASSIV daneben liegen!) entstandenes Grobkonzept.

    gruß

    a.p.
     

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  22. #20 Schorsch, 17.10.2008
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    @Acanthurus:
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