Profilwiderstand

Widerstandskraft ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel. Siehe auch: Abwehrkraft.

Der Profilwiderstand ist eine Kraft, die an einem Flügelprofil bei Umströmung des Flügels durch ein Fluid (beispielsweise Luft um den Flügel eines Flugzeuges) entsteht. Die Widerstandskraft wirkt entgegen der Bewegungsrichtung des Flügels. Einflussgrößen auf den Widerstand haben die Form des Profils, die Strömungsart, die Dichte und Viskosität der Luft, die Anströmgeschwindigkeit, die Grenzschichtdicke und die Rauheit der Profiloberfläche. Rechnerisch setzt sich der Profilwiderstand aus zwei Anteilen zusammen, dem Druckwiderstand und dem Reibungswiderstand. Mit den entsprechenden aerodynamischen Beiwerten gilt

$ c_{W}=c_{P}+c_{R} $.

$ c_{W} $= Profilwiderstandsbeiwert

$ c_{P} $=Druckwiderstandsbeiwert

$ c_{R} $= Reibungswiderstandsbeiwert

Die Widerstandskraft (kurz Widerstand) ($ W $) errechnet sich aus der Formel:

$ W=c_{W}\cdot A\cdot {\frac {\rho }{2}}\cdot v^{2} $

$ A $: Größe der Fläche des Flügels

$ \rho $: Dichte des Fluids

$ v $: Anströmgeschwindigkeit

Die Ermittlung der Widerstandsbeiwerte $ c_{W} $ verschiedener Profile ist Gegenstand umfangreicher Windkanalmessungen. Damit die Messergebnisse vom Modell auf die Ausführung übertragen werden können ist als zuständige Vergleichszahl die Reynolds-Zahl ($ Re $) und die Mach-Zahl ($ Ma $) zu bestimmen. Die gemessenen Widerstandsbeiwerte werden dann in Diagrammen $ c_{W}/Re $ für inkompressible, bzw. $ c_{W}/Ma $ für kompressible Strömungen aufgetragen.
Dabei ergibt sich Folgendes: Im kleinen Geschwindigkeitsbereich und laminarer Strömung ($ Re<Re_{krit} $) nimmt der $ c_{W} $-Wert mit ansteigender Reynolds-Zahl ab. Dies ist erklärbar mit der zunehmend größer werdenden Energie der Strömung, die es ihr ermöglicht, dem Flügelprofil länger zu folgen und den Ablösepunkt entlang der Profiloberfläche nach hinten zu verschieben. Die turbulente Wirbelschleppe hinter dem Profil wird kleiner und verringert ihren Einfluss auf den Reibungsbeiwert.

Oberhalb der kritischen Reynolds-Zahl ($ Re=Re_{krit} $) schlägt die laminare Strömung in ein turbulente um einhergehend mit einer größeren Grenzschichtdickte, welche einen deutlichen Anstieg des Reibungsbeiwertes im Bereich knapp oberhalb von $ Re_{krit} $ zur Folge hat; im Folgenden mittleren Geschwindigkeitsbereich bleibt der Reibungsbeiwert fast unverändert. Bei größeren Geschwindigkeiten hat die Kompressibilität des Gases einen immer stärker werdenden Einfluss auf den Reibungskoeffizienten und erhöht den $ c_{W} $-Wert stark ansteigend. In diesem Bereich wird der $ c_{W} $-Wert über der Mach-Zahl als Vergleichszahl aufgetragen (im Diagramm nicht abgebildet).