Wenn sich ein Objekt durch eine Flüssigkeit bewegt oder wenn sich eine Flüssigkeit an einem Objekt vorbeibewegt, werden die Moleküle der Flüssigkeit in der Nähe des Objekts gestört und bewegen sich um das Objekt herum.Zwischen der Flüssigkeit und dem Objekt werden aerodynamische Kräfte erzeugt. Die Größe dieser Kräfte hängt von der Form des Objekts, der Geschwindigkeit des Objekts, der Masse des Fluids, das sich am Objekt vorbeibewegt, und von zwei weiteren wichtigen Eigenschaften des Fluids ab: der Viskosität oder Klebrigkeit und der Kompressibilität oder Elastizität des Fluids. Um diese Effekte richtig zu modellieren, verwenden Luft- und Raumfahrtingenieure Ähnlichkeitsparameter, bei denen es sich um das Verhältnis zwischen diesen Effekten und anderen Kräften handelt, die in dem Problem vorhanden sind. Wenn zwei Experimente die gleichen Werte für die Ähnlichkeitsparameter aufweisen, wird die relative Bedeutung der Kräfte korrekt modelliert.
Aerodynamische Kräfte hängen auf komplexe Weise von der Viskosität des Fluids ab. Wenn sich die Flüssigkeit am Objekt vorbeibewegt, bleiben die Moleküle in unmittelbarer Nähe der Oberfläche an dieser haften. Die Moleküle direkt über der Oberfläche werden bei ihren Zusammenstößen mit den Molekülen, die an der Oberfläche haften, abgebremst, und diese Moleküle bremsen wiederum die Strömung direkt über ihnen. Je weiter man sich von der Oberfläche entfernt, desto weniger Kollisionen werden von der Objektoberfläche beeinflusst. Dadurch entsteht in der Nähe der Oberfläche eine dünne Flüssigkeitsschicht, in der sich die Geschwindigkeit von Null an der Oberfläche auf den Wert der freien Strömung von der Oberfläche weg ändert. Ingenieure bezeichnen diese Schicht als Grenzschicht, weil sie an der Grenze des Fluids auftritt.
Die Details der Strömung innerhalb der Grenzschicht sind für viele Probleme in der Aerodynamik sehr wichtig, einschließlich des Strömungsabrisses an der Tragfläche, des Reibungswiderstandes an einem Objekt und des Wärmeübergangs im Hochgeschwindigkeitsflug.Leider gehen die physikalischen und mathematischen Details der Grenzschichttheorie über den Rahmen dieses Anfängerhandbuchs hinaus und werden in der Regel erst gegen Ende des Studiums oder in der Graduiertenschule an der Universität untersucht. Wir werden an dieser Stelle nur einige der Auswirkungen der Grenzschicht darstellen.
Auf der Folie zeigen wir die strömungsmäßige Geschwindigkeitsänderung vom freien Strom zur Oberfläche. In Wirklichkeit sind die Effekte dreidimensional. Aufgrund der dreidimensionalen Massenerhaltung bewirkt eine Geschwindigkeitsänderung in Strömungsrichtung auch eine Geschwindigkeitsänderung in den anderen Richtungen. Es gibt eine kleine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Oberfläche, die die Strömung über der Oberfläche verdrängt oder bewegt. Man kann die Dicke der Grenzschicht als den Betrag dieser Verdrängung definieren. Die Verdrängungsdicke hängt von der Reynolds-Zahl ab, die das Verhältnis von Trägheitskräften (die sich nicht verändern oder bewegen) zu viskosen Kräften (die schwer und klebrig sind) darstellt und durch die Gleichung gegeben ist: Reynolds-Zahl (Re) ist gleich Geschwindigkeit (V) mal Dichte (r) mal einer charakteristischen Länge (l) geteilt durch den Viskositätskoeffizienten (mu).
Re = V * r * l / mu
Grenzschichten können entweder laminar (geschichtet) oder turbulent (ungeordnet) sein, je nach dem Wert der Reynolds-Zahl.Bei niedrigeren Reynoldszahlen ist die Grenzschicht laminar und die Strömungsgeschwindigkeit ändert sich gleichmäßig, wenn man sich von der Wand entfernt, wie auf der linken Seite der Abbildung dargestellt.Bei höheren Reynoldszahlen ist die Grenzschicht turbulent und die Strömungsgeschwindigkeit ist durch instationäre (sich mit der Zeit ändernde) Wirbelströmungen innerhalb der Grenzschicht gekennzeichnet.Die äußere Strömung reagiert auf den Rand der Grenzschicht genauso wie auf die physische Oberfläche eines Objekts.Die Grenzschicht verleiht also jedem Objekt eine „effektive“ Form, die sich in der Regel geringfügig von der physischen Form unterscheidet.Um die Dinge noch verwirrender zu machen, kann sich die Grenzschicht vom Körper abheben oder „trennen“ und eine effektive Form erzeugen, die sich von der physischen Form stark unterscheidet. Dies geschieht, weil die Strömung in der Grenzschicht eine sehr geringe Energie hat (im Vergleich zur freien Strömung) und leichter durch Druckveränderungen angetrieben wird. Die Auswirkungen der Grenzschicht auf den Auftrieb sind im Auftriebsbeiwert und die Auswirkungen auf den Luftwiderstand im Luftwiderstandsbeiwert enthalten.
HISTORISCHE ANMERKUNG: Die Theorie, die Grenzschichteffekte beschreibt, wurde erstmals von Ludwig Prandtl in den frühen 1900er Jahren vorgestellt. Die allgemeinen Strömungsgleichungen waren seit vielen Jahren bekannt, aber die Lösungen der Gleichungen beschrieben die beobachteten Strömungseffekte (wie z.B. den Strömungsabriss) nicht richtig. Prandtl war der erste, der erkannte, dass sich die relative Größe der Trägheits- und Viskositätskräfte von einer oberflächennahen Schicht zu einer oberflächenfernen Region veränderte. Er schlug als erster die interaktiv gekoppelte Zweischichtenlösung vor, die viele Strömungsprobleme richtig modelliert.
Aktivitäten:
Führungen
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Quellen des Luftwiderstands: 
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