Profil (Strömungslehre)

mini|hochkant=1.5|Ein Tragflächenprofil mini|hochkant=1.1|An der Flügelspitze dieser Denney Kitfox ist das Profil der Tragfläche erkennbar. mini|hochkant=1.1|Das Profil eines Rotorblattes des Hubschraubers Kamow Ka-26

Als Profil bezeichnet man in der Strömungslehre die Form des Querschnitts eines Körpers in Strömungsrichtung. Die Umströmung durch eine Flüssigkeit oder ein Gas bewirken an diesem Körper angreifende Kräfte.

Speziell geformte Profile eignen sich besonders für die Erzeugung von dynamischem Auftrieb bei geringem Strömungswiderstand. Beispiele dafür sind das Profil von Vogelflügeln, von Tragflächen an Flugzeugen, Hydrofoils, Propeller von Schiffen oder Turbinenschaufeln. Da die Form des Profils großen Einfluss auf die Kräfte am umströmten Körper hat, ist die Entwicklung und Charakterisierung von Profilen ein wichtiges Teilgebiet der Aerodynamik.

Bedeutung der Profilumströmung für die Aerodynamik

Die Ermittlung der aerodynamischen Eigenschaften eines Flugzeugs stellt sowohl theoretisch als auch experimentell eine große Herausforderung dar. Schon früh wurde daher versucht, die aerodynamischen Eigenschaften des gesamten Flugzeugs aus den Eigenschaften seiner Teile (z. B. Flügel, Rumpf und Leitwerk) zu ermitteln. Die aerodynamischen Eigenschaften eines Tragflügels lassen sich unter bestimmten Bedingungen aufteilen in die Eigenschaften der umströmten Profilschnitte und die Eigenschaften des Flügelgrundrisses an sich. Die Bedingungen hierbei sind das Nichtvorhandensein von größeren 3-D-Effekten in den einzelnen Profilschnitten, was bei Flügeln hoher Streckung und geringer Zuspitzung und Pfeilung der Fall ist (vgl. Segelflugzeuge). Die zweidimensionale Umströmung eines Profils stellt dann eine starke Vereinfachung (in der Theorie sowie im Experiment) im Vergleich zur Umströmung eines dreidimensionalen Flugzeugs (oder Flügels) dar und erlaubt es, z. B. ausgedehnte Parameterstudien durchzuführen, die in einer 3-D-Konfigurationen nicht möglich wären.

Geometrische Kategorien Profile lassen sich anhand geometrischer oder aerodynamischer Eigenschaften in verschiedene Kategorien einteilen.

Profilarten

Symmetrische Profile sind ihrer Längsachse entlang spiegelsymmetrisch. Die Skelettlinie ist gerade. Solche Profile werden dort eingesetzt, wo Auftrieb oder Abtrieb erzeugt werden muss, z. B. Leitwerke an Flugzeugen oder Steuerruder an Schiffen. Halbsymmetrische Profile weisen unten und oben Ähnlichkeit auf. Mit dieser Bezeichnung werden Profile zu klassifiziert, die zwar eine Wölbung aufweisen, aber keine konkaven Konturen. Solche Profile werden für höhere Geschwindigkeiten eingesetzt, etwa beim Kunstflug. Profile mit flacher Unterseite zeichnen sich durch Vorteile bei der mechanischen Konstruktion aus. Bekanntestes Profil dieser Kategorie ist das Clark-Y mit 11,7 % Dicke und 3,5 % Wölbung. Normalprofile sind oben konvex und unten S-förmig gebogen. Den konkaven unteren und hinteren Bereich nennt man auch Hohlwölbung. Keulenprofile sind ähnlich wie Normalprofile, haben jedoch eine ausgeprägt geringe Dickenrücklage für gute Eigenschaften im kritischen Reynolds-Zahl-Bereich. S-Schlagprofile: Der hintere Teil des Profils ist nach oben gezogen, so dass die Skelettlinie am Profilaustritt leicht aufwärtsgerichtet ist (z. B. die NACA-230-Profilserie). S-Schlagprofile weisen einen sehr geringen negativen, einen neutralen oder sogar einen positiven Drehmomentkoeffizienten Cm0 auf. Sonderformen sind die sog. superkritischen oder transsonischen Profile, welche praktisch ein auf dem Rücken liegendes S-Schlagprofil darstellen.

Geometrische Parameter mini|class=skin-invert-image|hochkant=2.0| 1) Nullauftriebslinie 2) Profilnase 3) Nasenradius 4) Profildicke 5) Profilwölbung 6) Oberseite7) Profilhinterkante 8) Skelettlinie (Profilmittellinie) 9) Unterseite c) Profiltiefe α) Anstellwinkel αL0) Nullauftriebswinkel Profiltiefe (t=1) wird heute die längste Linie von der Profilnase bis zur Profilhinterkante bezeichnet und ist auch identisch mit der Profilsehne und der x-Koordinate. Früher wurde die untere Auflagelinie des Profils als Sehne oder als Bezugslinie für die Flügeltiefe oder Koordinatenachse für die Profilkontur definiert. Profilwölbung (f/t) bezeichnet die größte Abweichung der Skelettlinie von der Profilsehne. Bei S-Schlagprofilen ist es die Differenz der vorderen zur hinteren Abweichung. Sie bestimmt zusammen mit das Drehmoment am Neutralpunkt und damit die Druckpunktwanderung. Eine große Wölbung ermöglicht einen hohen Auftrieb. Hohlwölbung (h/t) ist die größte Abweichung einer Profilbitangente von der Profilkontur. Sie befindet sich meist nur auf der unteren Profilseite hinten. Nicht alle Profile haben Hohlwölbung. Hohlwölbung an der Oberseite haben nur einige S-Schlagprofile. Profildicke (d/t) ist der größtmögliche Kreisdurchmesser auf der Skelettlinie. Die Dicke und deren Rücklage bestimmen zusammen mit der Wölbung auch den Maximalauftrieb. Dünne Profile mit spitzer Nase eignen sich nur im unterkritischen Geschwindigkeitsbereich. Nasenradius (r/t) bezeichnet den Radius des Nasenkreises der Profilnase. Großer Nasenradius bedeutet geringe Dickenrücklage. Hinterkantenwinkel (τ) ist der Winkel an der Hinterkante zwischen Profiloberseite und Profilunterseite. Wölbungsrücklage (xf/t) bezeichnet den Abstand von der Profilnase zum Punkt der maximalen Wölbung. Sie befindet sich üblicherweise hinter der Dickenrücklage und bestimmt maßgeblich den Momentbeiwert und damit die Druckpunktwanderung. Dickenrücklage (xd/t) bezeichnet den Abstand des Punktes der größten Dicke von der Profilnase. Sie befindet sich meistens vor der Wölbungsrücklage. Dünne Profile haben in der Regel eine geringe Dickenrücklage.

Aerodynamische Kategorien Low-Re-Profile werden vor allem bei Modellflugzeugen und sehr langsam fliegenden Gleitern eingesetzt. Sie kennzeichnen sich durch größere Hohlwölbung. Die größte Dicke der eher dünnen Profile befindet sich auf dem vorderen Viertel der Sehne. Konventionelle Profile werden vor allem im Geschwindigkeitsbereich von Kleinflugzeugen eingesetzt. Sie haben an der Profilunterseite gerade oder leicht konvexe Form, und die größte Profildicke befindet sich im vorderen Drittel der Flügeltiefe. Laminar-Profile haben eine lange laminare Laufstrecke der Strömung und daher einen geringen Widerstand. Die dickste Stelle des Profils liegt knapp vor der Flügelmitte, und der Nasenradius ist eher klein. Solche Profile reagieren empfindlicher auf Störungen in der Strömung, die unter anderem durch Rauheit und Verschmutzung der Oberfläche entstehen, und werden hauptsächlich bei Segelflugzeugen und leichten Motorflugzeugen verwendet. mini|Transsonikprofil Transsonikprofile (superkritische Profile) weisen an der Oberseite eine geringere oder schwächere Zu- und Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit auf. Die Luft strömt dort vom sub- in den transsonischen und wieder in den subsonischen Bereich. Der Verdichtungsstoß der Rekompression fällt schwächer aus, und die stoßinduzierte Ablösung unterbleibt. Solche Profile wurden vor allem durch CFD möglich und werden in der Aviatik bei fast allen Verkehrsflugzeugen im schallnahen Geschwindigkeitsbereich genutzt. Überschall-Profile: werden so dünn wie möglich konstruiert, haben praktisch keine Wölbung und weisen spitze Profilnasen auf.

Strömungsarten mini|Kritische Reynoldszahl. Sie liegt für die Kugel, für den Zylinder, für Strömungsprofile in allen Fluiden bei ungefähr 500.000

Einfluss der Reynoldszahl

Die wichtigste Kennzahl für die Profilumströmung ist die Reynoldszahl. Sie bestimmt den Einfluss der Reibung (Viskosität) auf die Umströmung. Bei der Profilumströmung wird die Reynoldszahl hierbei mit der Anströmgeschwindigkeit und der Profiltiefe gebildet. Unterschreitet die Reynoldszahl einen bestimmten (profilabhängigen) Wert (Rekrit), so spricht man von unterkritischer, sonst von überkritischer Umströmung.

Unterkritische Profilumströmung

Die kleinen Reynoldszahlen der unterkritischen Profilumströmung drücken den dominierenden Einfluss der Viskosität aus. Die Grenzschicht ist vergleichsweise dick ausgeprägt und über lange Laufstrecken laminar. Ein Druckanstieg in Strömungsrichtung führt bereits bei mäßigen Anstellwinkeln zu laminarer Ablösung der Grenzschicht. Das Profil erfährt durch die Ablösung einen relativ hohen Strömungswiderstand und generiert wenig Auftrieb.

Überkritische Profilumströmung

Wird das Profil mit überkritischer Reynoldszahl angeströmt, so verbessern sich die Profilleistungen drastisch. Bedingt durch die höhere Reynoldszahl, erfolgt hier der Übergang von der laminaren zur turbulenten Grenzschicht entweder ohne Ablösung oder innerhalb einer laminaren Ablöseblase. Die Grenzschicht ist aber in jedem Fall größtenteils anliegend. Praktisch sämtliche technisch eingesetzten Profile werden überkritisch betrieben.

Beeinflussung der kritischen Reynoldszahl

Aufgrund der schlechten Profilleistungen bei unterkritischer Anströmung ist in jedem Fall eine überkritische Umströmung anzustreben. Hierzu muss die kritische Reynoldszahl des Profils kleiner sein als die Reynoldszahl. Besonderes Augenmerk auf diesen Sachverhalt muss hier vor allem bei Anwendungen mit kleinen Reynoldszahlen gelegt werden, wie z. B. Modellflugzeugen. Liegt die Reynoldszahl bei Werten von ca. 500.000 oder größer, so ist für die üblicherweise verwendeten Luftfahrtprofile automatisch überkritische Umströmung garantiert.

Einige Auslegungsrichtlinien für Profile mit kleiner kritischer Reynoldszahl

Im unteren kritischen Reynoldsbereich sind nur noch moderate Profildicken und hohe Profilwölbungen angebracht. Dünne Profile besitzen hier geringere Übergeschwindigkeiten und somit einen kleineren Druckanstieg. Der sich ergebende kleine Nasenradius sorgt für die Ausbildung einer Saugspitze an der Profilnase und dem frühen Umschlag der Grenzschicht in den turbulenten Zustand. Die turbulente Grenzschicht kann dann den Druckanstieg im hinteren Profilbereich besser bewältigen. Die Anbringung von geeigneten Turbulatoren auf dem Profil sorgt ebenfalls für einen rechtzeitigen Umschlag der Grenzschicht. Alternativ kann auch Turbulenz durch einen in Spannweitenrichtung gespannten Draht vor der Profilnase erzeugt werden. Im unteren Übergangsbereich sind für gute Gleit- und Sinkwerte folgende Profildicken optimal: Re 1.000 4 %, Re 50.000 6 %, Re 100.000 8 %, Re 500.000 12 %. Im unterkritischen Bereich sind hochgewölbte dünne Profile mit spitzer Eintrittskante angebracht (Saalflugmodelle).

Einfluss der Machzahl

Die zweite wichtige Kennzahl für die Profilumströmung ist die Machzahl, welche den Einfluss der Kompressibilität auf die Profilumströmung angibt. In Abhängigkeit von der Anströmmachzahl Mainf können hier folgende Strömungsbereiche unterschieden werden:

Inkompressible Umströmung

(typisch: Mainf < 0,3) Die Strömung kann als inkompressibel betrachtet werden. Der einzig relevante Parameter für die Umströmung ist die Reynoldszahl.

Subsonische Umströmung

(typisch: 0,3 < Mainf < 0,7) Die Strömung besitzt im gesamten Feld Unterschallgeschwindigkeit. Es treten somit keine Verdichtungsstöße und Expansionsfächer sowie kein Wellenwiderstand auf. Der Einfluss der Kompressibilität der Luft kann in diesem Bereich sehr einfach z. B. mit Hilfe der Prandtl-Glauert-Regel erfasst werden und spielt bei der Profilauslegung nur eine untergeordnete Rolle. Die obere Grenze ist aber nur als Faustwert zu verstehen. Für Hochauftriebskonfigurationen können schon bei sehr viel niedrigeren Anströmmachzahlen Überschallgebiete entstehen.

Schallnahe / transsonische Strömung