Wirbel an den Flügelspitzen

Flügelspitzenwirbel sind kreisförmige Muster rotierender Luft, die hinter einem Flügel entstehen , wenn dieser Auftrieb erzeugt . ^{[ 1 ] : 5.14} Die Bezeichnung ist irreführend, da die Wirbelkerne etwas innerhalb der Flügelspitzen liegen . ^{[ 2 ] : 369} Flügelspitzenwirbel werden daher auch als Nachlaufwirbel oder auftriebsinduzierte Wirbel bezeichnet , da sie auch an anderen Stellen als den Flügelspitzen auftreten. ^{[ 1 ] : 5.14} Tatsächlich entsteht an jeder Stelle des Flügels, an der der Auftrieb in Spannweitenrichtung variiert (ein Phänomen, das in der Traglinientheorie beschrieben und quantifiziert wird ) , Wirbelbildung ; diese bündelt sich schließlich in großen Wirbeln in der Nähe der Flügelspitze, an den Rändern von Landeklappen oder an anderen abrupten Änderungen der Flügelform .

Wirbel an den Flügelspitzen sind mit induziertem Widerstand und der Erzeugung von Abwind verbunden und eine grundlegende Folge der dreidimensionalen Auftriebserzeugung. ^{[ 1 ] : 5.17, 8.9} Die sorgfältige Wahl der Flügelgeometrie (insbesondere der Spannweite ) sowie der Reiseflugbedingungen sind Konstruktions- und Betriebsmethoden zur Minimierung des induzierten Widerstands.

Die Wirbel an den Flügelspitzen bilden die Hauptkomponente der Nachlaufturbulenzen . Abhängig von der Luftfeuchtigkeit sowie der Geometrie und Flächenbelastung des Flugzeugs kann Wasser im Kern der Wirbel kondensieren oder gefrieren, wodurch die Wirbel sichtbar werden.

Wenn ein Flügel aerodynamischen Auftrieb erzeugt , entsteht zwischen den beiden Wirbeln ein Abwindbereich. ^{[ 3 ] [ 2 ] : 8.1.1 [ 4 ]}

Dreidimensionaler Auftrieb und das Auftreten von Flügelspitzenwirbeln lassen sich mit dem Konzept des Hufeisenwirbels annähern und präzise mit der Lanchester-Prandtl-Theorie beschreiben . In dieser Sichtweise ist der nachlaufende Wirbel eine Fortsetzung des flügelgebundenen Wirbels, der der Auftriebserzeugung inhärent ist.

Die an den Flügelspitzen entstehenden Wirbel erzeugen induzierten Widerstand , eine unvermeidliche Folge der dreidimensionalen Auftriebserzeugung. Die Drehbewegung der Luft innerhalb der abgelösten Flügelspitzenwirbel (manchmal auch als „Leckage“ bezeichnet) verringert den effektiven Anstellwinkel der Luft am Flügel.

Die Traglinientheorie beschreibt das Ablösen von Wirbelschleppen als Änderung der Auftriebsverteilung in Spannweitenrichtung. Bei gegebener Flügelspannweite und -fläche wird der minimale induzierte Widerstand durch eine elliptische Auftriebsverteilung erreicht . Bei gegebener Auftriebsverteilung und Flügelgrundfläche verringert sich der induzierte Widerstand mit zunehmender Streckung .

Flugzeuge, bei denen ein hohes Verhältnis von Gleitfähigkeit zu Widerstand erwünscht ist, wie beispielsweise Segelflugzeuge oder Langstreckenflugzeuge , verfügen daher typischerweise über Tragflächen mit hoher Streckung. Solche Tragflächen weisen jedoch Nachteile hinsichtlich struktureller Beschränkungen und Manövrierfähigkeit auf, wie Kampf- und Kunstflugzeuge zeigen , die trotz der Effizienzverluste üblicherweise kurze, gedrungene Tragflächen besitzen.

Eine weitere Methode zur Reduzierung des induzierten Widerstands ist der Einsatz von Winglets , wie sie bei den meisten modernen Verkehrsflugzeugen zu finden sind. Winglets erhöhen die effektive Streckung des Flügels und verändern so das Muster und die Stärke der Wirbelbildung . Dadurch wird die kinetische Energie der kreisförmigen Luftströmung reduziert, was wiederum den Treibstoffverbrauch für die Bearbeitung der rotierenden Luft verringert.

Nachdem die NASA Bedenken hinsichtlich der zunehmenden Dichte des Flugverkehrs und der damit einhergehenden Gefahr von Wirbelunfällen an Flughäfen geäußert hatte, ergab ein Windkanalversuch des NASA Ames Research Center mit einem 747-Modell, dass die Konfiguration der Landeklappen bei bestehenden Flugzeugen so verändert werden kann, dass der Wirbel in drei kleinere und weniger störende Wirbel aufgeteilt wird. Dies beinhaltete hauptsächlich die Änderung der Einstellungen der äußeren Landeklappen und könnte theoretisch bei bestehenden Flugzeugen nachgerüstet werden. ^{[ 5 ]}

Die Kerne der Wirbel können manchmal sichtbar werden, wenn das darin enthaltene Wasser vom gasförmigen ( dampfförmigen ) in den flüssigen Zustand kondensiert . Dieses Wasser kann mitunter sogar gefrieren und Eispartikel bilden.

Die Kondensation von Wasserdampf in den Flügelspitzenwirbeln tritt am häufigsten bei Flugzeugen auf, die mit hohen Anstellwinkeln fliegen , wie beispielsweise Kampfflugzeuge bei Manövern mit hoher g- Belastung oder Verkehrsflugzeuge, die an feuchten Tagen starten und landen.

Die Kerne von Wirbeln rotieren mit sehr hoher Geschwindigkeit und sind Bereiche mit sehr niedrigem Druck. In erster Näherung bilden sich diese Unterdruckbereiche unter geringem Wärmeaustausch mit den benachbarten Bereichen (d. h. adiabatisch ), sodass auch die lokale Temperatur in den Unterdruckbereichen sinkt. ^{[ 6 ]} Sinkt die Temperatur unter den lokalen Taupunkt , kondensiert der im Kern der Flügelspitzenwirbel vorhandene Wasserdampf und macht diese sichtbar. ^{[ 6 ]} Die Temperatur kann sogar unter den lokalen Gefrierpunkt fallen , wodurch sich in den Kernen Eiskristalle bilden. ^{[ 6 ]}

Der Aggregatzustand von Wasser (fest, flüssig oder gasförmig) wird durch Temperatur und Druck bestimmt . Beim Übergang von flüssig zu gasförmig gibt es beispielsweise für jeden Druck eine spezielle Übergangstemperatur. Liegt die Temperatur der Probe auch nur geringfügig über dieser Temperatur , ist sie gasförmig; liegt sie hingegen auch nur geringfügig darunter , ist sie flüssig (siehe Phasenübergang ). Bei Standardatmosphärendruck beträgt diese Temperatur beispielsweise 100 °C (212 °F). Die Übergangstemperatur sinkt mit abnehmendem Druck (was erklärt, warum Wasser in höheren Lagen bei niedrigeren Temperaturen und in einem Schnellkochtopf bei höheren Temperaturen siedet ; siehe hier für weitere Informationen). Bei Wasserdampf in Luft entspricht der Wert, der dem Partialdruck des Wasserdampfs entspricht, dem Taupunkt . (Der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand findet auch um eine bestimmte Übergangstemperatur statt, die als Schmelzpunkt bezeichnet wird . Bei den meisten Stoffen sinkt der Schmelzpunkt auch mit abnehmendem Druck, wobei Wassereis – insbesondere in seiner I_{_h} -Form , der bekanntesten Form – eine prominente Ausnahme von dieser Regel darstellt .) ${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle T_{c}}$

Wirbelkerne sind Bereiche mit niedrigem Druck. Zu Beginn der Wirbelkernbildung befindet sich das Wasser in der Luft (in dem Bereich, der sich zum Kern entwickelt) im gasförmigen Zustand, wodurch die lokale Temperatur über dem lokalen Taupunkt liegt. Nach der Wirbelkernbildung ist der Druck in seinem Inneren gegenüber dem Umgebungswert gesunken, und somit ist auch der lokale Taupunkt ( ) unter den Umgebungswert gefallen. An sich würde ein Druckabfall dazu beitragen, dass Wasser im gasförmigen Zustand verbleibt: Der ursprüngliche Taupunkt lag bereits unter der Umgebungslufttemperatur, und die Wirbelbildung hat den lokalen Taupunkt noch weiter gesenkt. Mit der Bildung des Wirbelkerns sinkt jedoch nicht nur dessen Druck (und damit sein Taupunkt): Auch die Temperatur im Wirbelkern sinkt, und zwar oft deutlich stärker als der Taupunkt. ${\displaystyle T_{c}}$

In erster Näherung ist die Bildung von Wirbelkernen thermodynamisch ein adiabatischer Prozess , d. h. ein Prozess ohne Wärmeaustausch. Bei einem solchen Prozess geht der Druckabfall mit einem Temperaturabfall einher, gemäß der folgenden Zustandsgleichung :

${\displaystyle {\frac {T_{\text{f}}}{T_{\text{i}}}}=\left({\frac {p_{\text{f}}}{p_{\text{i}}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}.}$^{[ 6 ]}

Hierbei sind und die absolute Temperatur und der absolute Druck zu Beginn des Prozesses (hier gleich der Umgebungslufttemperatur und dem Umgebungsluftdruck), und sind die absolute Temperatur und der absolute Druck im Wirbelkern (das Endergebnis des Prozesses), und die Konstante beträgt für Luft etwa 7/5 = 1,4 (siehe hier ). ${\displaystyle T_{\text{i}}}$${\displaystyle p_{\text{i}}}$${\displaystyle T_{\text{f}}}$${\displaystyle p_{\text{f}}}$${\displaystyle \gamma }$

Obwohl der lokale Taupunkt innerhalb der Wirbelkerne sogar noch niedriger ist als in der Umgebungsluft, kann der Wasserdampf dennoch kondensieren – wenn die Wirbelbildung die lokale Temperatur unter den neuen lokalen Taupunkt senkt. ^{[ 6 ]}

Für ein typisches Transportflugzeug, das auf einem Flughafen landet, gelten folgende Bedingungen: Die Werte entsprechen den sogenannten Standardbedingungen , d. h.  = 1  atm  = 1013,25  mb  = 101.325  Pa und  = 293,15  K (entspricht 20 °C = 68 °F). Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt angenehme 35 % (Taupunkt 4,1 °C = 39,4 °F). Dies entspricht einem Wasserdampfpartialdruck von 820 Pa = 8,2 mb. Im Kern eines Wirbels sinkt der Druck ( ) auf etwa 80 % des Umgebungsdrucks , d. h. auf etwa 80.000 Pa. ^{[ 6 ]}${\displaystyle T_{\text{i}}}$${\displaystyle p_{\text{i}}}$${\displaystyle p_{\text{i}}}$${\displaystyle \,}$${\displaystyle T_{\text{i}}}$${\displaystyle p_{\text{f}}}$

Die Temperatur im Wirbelkern wird durch die obige Gleichung angegeben als oder 0,86 °C = 33,5 °F. ${\displaystyle T_{\text{f}}=\left({\frac {\scriptstyle 80\,000}{\scriptstyle 101\,325}}\right)^{\scriptscriptstyle 0.4/1.4}\,T_{\text{i}}=0.935\,\times \,293.15=274\;{\text{K}},}$

Als Nächstes sinkt der Wasserdampfpartialdruck im Wirbelkern proportional zum Gesamtdruckabfall (d. h. um denselben Prozentsatz) auf etwa 650 Pa = 6,5 mbar. Laut einem Taupunktrechner ergibt sich daraus ein lokaler Taupunkt von etwa 0,86 °C; anders ausgedrückt: Der neue lokale Taupunkt entspricht in etwa der neuen lokalen Temperatur.

Daher handelt es sich um einen Grenzfall; wäre die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft auch nur geringfügig höher (bei gleichbleibendem Gesamtdruck und gleicher Temperatur), würde der lokale Taupunkt innerhalb der Wirbel steigen, während die lokale Temperatur unverändert bliebe. Die lokale Temperatur wäre dann niedriger als der lokale Taupunkt, und der Wasserdampf innerhalb der Wirbel würde tatsächlich kondensieren. Unter den richtigen Bedingungen kann die lokale Temperatur in den Wirbelkernen unter den lokalen Gefrierpunkt sinken , wodurch sich Eispartikel in den Wirbelkernen bilden.

Der Kondensationsmechanismus von Wasserdampf in Flügelspitzenwirbeln wird somit durch lokale Änderungen des Luftdrucks und der Temperatur angetrieben. Dies steht im Gegensatz zu einem anderen bekannten Fall von Wasserkondensation im Zusammenhang mit Flugzeugen: den Kondensstreifen von Flugzeugtriebwerken. Bei Kondensstreifen ändern sich der lokale Luftdruck und die Temperatur nicht wesentlich; entscheidend ist vielmehr, dass die Abgase sowohl Wasserdampf (der die lokale Wasserdampfkonzentration und damit seinen Partialdruck erhöht , was zu einem höheren Taupunkt und Gefrierpunkt führt) als auch Aerosole (die als Kristallisationskeime für die Kondensation und das Gefrieren dienen ) enthalten. ^{[ 7 ]}

Eine Theorie zum Flugverhalten von Zugvögeln besagt, dass viele größere Vogelarten in V-Formation fliegen, sodass alle außer dem Leitvogel den Aufwind des Flügelspitzenwirbels des vorausfliegenden Vogels nutzen können . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Albion Bowers, ein NASA-Wissenschaftler (im Ruhestand), hat in YouTube-Videos erklärt, dass sich bei ihnen der Wirbel bei 75 % der halben Spannweite bildet und dass sie an diesem Punkt ihre Flügel kreuzen (Vogel voraus, Vogel dahinter), was genau zeigt, dass sie sich dies zunutze machen: Jeder Vogel fliegt im äußeren Aufwind des vorausfliegenden Vogels.

Wirbel an den Flügelspitzen können eine Gefahr für Flugzeuge darstellen, insbesondere während der Start- und Landephase . Die Intensität bzw. Stärke des Wirbels hängt von der Größe, Geschwindigkeit und Konfiguration des Flugzeugs (z. B. Klappenstellung) ab. Die stärksten Wirbel entstehen bei schweren Flugzeugen, die langsam fliegen und deren Landeklappen und Fahrwerk eingefahren sind („schwer, langsam und sauber“). ^{[ 10 ]} Große Düsenflugzeuge können Wirbel erzeugen, die minutenlang bestehen bleiben und vom Wind getrieben werden.

Die Gefahren von Flügelspitzenwirbeln werden meist im Zusammenhang mit Wirbelschleppen diskutiert . Fliegt ein Leichtflugzeug unmittelbar hinter einem Schwerflugzeug, können die Wirbelschleppen des Schwerflugzeugs das Leichtflugzeug so stark ins Rollen bringen, dass die Querruder nicht mehr ausreichen, um dem entgegenzuwirken . In niedrigen Höhen, insbesondere bei Start und Landung, kann dies zu einer Fluglagestörung führen, die nicht mehr behoben werden kann. (Die Begriffe „Leicht“ und „Schwer“ sind relativ, und selbst kleinere Jets sind bereits durch diesen Effekt ins Rollen geraten.) Fluglotsen versuchen, durch Warnungen vor Wirbelschleppen einen ausreichenden Abstand zwischen startenden und landenden Flugzeugen zu gewährleisten.

Generell ist ein Flugzeug sicherer, wenn sein Start vor dem Rotationspunkt des zuvor gestarteten Flugzeugs erfolgt, um Wirbelstürme zu vermeiden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass man sich in Luv (oder anderweitig fern) von allen Wirbelstürmen befindet, die vom vorherigen Flugzeug erzeugt wurden. Bei der Landung hinter einem Flugzeug sollte das Flugzeug oberhalb der Flugbahn des vorherigen Flugzeugs bleiben und weiter entlang der Landebahn aufsetzen. ^{[ 11 ]}

Segelflieger üben regelmäßig das Fliegen in Wirbelschleppen, indem sie das Manöver „Boxing the Wake“ durchführen. Dabei sinken sie hinter einem Schleppflugzeug von einer höheren zu einer niedrigeren Position ab. Anschließend beschreiben sie eine rechteckige Figur, indem sie den Segelflieger an hohen und tiefen Punkten fernab des Schleppflugzeugs halten, bevor sie wieder durch die Wirbelschleppen aufsteigen. (Aus Sicherheitsgründen wird dies nicht unter 1500 Fuß über dem Boden und üblicherweise unter Anwesenheit eines Fluglehrers durchgeführt.) Aufgrund der relativ geringen Geschwindigkeiten und des geringen Gewichts beider Flugzeuge ist das Verfahren sicher, vermittelt aber ein Gefühl für die Stärke und die Position der Turbulenzen. ^{[ 12 ]}

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  Eine EA-6 Prowler mit Kondenswasserbildung in den Kernen ihrer Flügelspitzenwirbel und auch auf der Oberseite ihrer Flügel.
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  An den Enden der Propellerblätter bilden sich Wirbel, wie man an dieser DHC-5 Buffalo sehen kann .
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  Der Kern des Wirbels, der von der Spitze der Landeklappe eines Verkehrsflugzeugs mit ausgefahrener Landeklappe ausgeht.
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  Wirbel an den Flügelspitzen eines Windkanalmodells einer Cessna 182 .
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  Wirbel an den Flügelspitzen, die im Leuchtspurrauch einer C-17 Globemaster III sichtbar sind . Auch bekannt als Rauchengel.
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  Der Kipprotorflieger MV-22 Osprey weist eine hohe Flächenbelastung auf , wodurch sichtbare Blattspitzenwirbel entstehen.
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  Euler-Berechnung eines stationären Spitzenwirbels. Konturfarben und Isoflächen zeigen die Wirbelstärke an.
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  Ein Boeing 747- Modell durchquerte soeben eine stationäre Rauchwolke, deren Wirbelschleppen sichtbar wurden, in der Wirbelanlage des Langley Research Center .
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  Eine Lockheed Martin F-35 Lightning II im Kurvenflug, die Wirbel an den Flügelspitzen zeigt.

• Inhaltsverzeichnis der Luftfahrtartikel
• Seitenverhältnis (Flügel)
• Chemtrail-Verschwörungstheorie
• Kräheninstabilität
• Helmholtz-Theoreme
• Hufeisenwirbel
• Auftriebsbedingter Widerstand
• V-Formation
• Wirbel
• Wirbelschleppen

• Video von Tests des Dryden Flight Research Center der NASA zu Flügelspitzenwirbeln:
  • C-5 Galaxy : [1]
  • Lockheed L-1011 : [2]
• Wirbelbildung an den Flügelspitzen während einer Landung – Video auf YouTube