Entwicklung eines F3F-Profils

[Jojo26]

Hallo "Röhrich",

... Du sprichst einen sehr validen Punkt an. Nein, ich bin mir nicht sicher - aber zumindest ziemlich sicher ;-) :

Es ist nicht so, dass die Grenzschicht nur von Störungen beeinflusst wird, die kleiner als die "Dicke der Grenzschicht" sind. (Die "" deshalb, weil "Störungen" und "Dicke" ganz unterschiedliche Größen sind). Störungen können ganz früh schon ber die Anströmung eingebracht werden - oder noch "gruseliger" über 3D-Effekte oder ... (ich denke, das ist auch, was Tobias meint)

ncrit und der Turbulenzgrad der angeströmten Luft sind sehr eng miteinander gekoppelt. Der Turbulenzgrad beschreibt das Verhältnis der Geschwindigkeit von Störungen zu der Grundgeschwindigkeit der Strömung und wird in der Regel in Prozent ausgedrückt. Ein guter Windkanal hat bespeilsweise einen Turbulenzgrad von 0,1%.

Mark Drela et al. haben den Zusammenhang zwischen Turbulenzgrad und ncrit mit folgender empirisch ermittelten Formel definiert

ncrit=−8.43−2.4 * ln(Tu/100) wobei Tu der Turbulenzgrad in % ist.​

(gerne einmal in diese Formel den Turbulenzgrad des guten Windkanals einsetzen um den ncrit des Windkanals zu erhalten)​

Weiter oben hatte ich zu ncrit geschrieben ...

Man trifft nun folgende Annahme: Bei ruhiger angeströmter Luft kann die Grenzschicht länger mit den stärker werdenden Tollmien-Schlichting-Wellen zurechtkommen - der kritische Wert des Umschlagens liegt daher hoch. Bei tubulenter, verwirbelter Anströmung, wo sowieso alles schon „wackelig“ ist, kann die Grenzschicht nur noch wenig Tollmien-Schlichting-Wellen vertragen - der kritische Wert liegt tiefer.

... damit wollte ich diese Verknüpfung von Turbulenzgrad und ncrit "bildlich" beschreiben.

Leider konnte ich in der Literatur bisher nur sehr wenig über realisitsche ncrit-Werte finden. Ein Hinweis findet sich in https://www.dglr.de/publikationen/2015/340242.pdf wo für eine Drohne in 900m (!) Flughöhe mit Überlegung des Turbulenzgrads ein ncrit = 9 angenommen wurde.

Ich habe so eine "stille Befürchtung", dass wir am Hang mit ncrit eher noch tiefer gehen müssen... ?

Jochen

 

[Hans Rupp]

Hallo,

der Hinweis im Zusammenhang mit der Drohne leidet darunter, dass meiner Meinung für ncrit im Segelflug andere Werte anzusetzen sind als bei einem Flugzeug mit Antrieb und Vibrationen auf der Zelle. In ruhiger Luft wurde mir für Segelflugzeuge ein Wert n=11 als passend genannt, da das aber geschätzt bald 20 Jahr her ist, finde ich die Quelle sicher nicht mehr.

Ich rechne bei Flügeln aus Formen mit ncrit=9 und wenn es langsam final wird erfolgen Zusatzrechnungen mit nrcit=11 und 7 und der Epplercode wird auch noch bemüht. Bei Leitwerken rechne ich nur mit ncrit=7 und 9.

Hans

 

[2small2fail]

Es ist nicht so, dass die Grenzschicht nur von Störungen beeinflusst wird, die kleiner als die "Dicke der Grenzschicht" sind. (Die "" deshalb, weil "Störungen" und "Dicke" ganz unterschiedliche Größen sind). Störungen können ganz früh schon ber die Anströmung eingebracht werden - oder noch "gruseliger" über 3D-Effekte oder ... (ich denke, das ist auch, was Tobias meint)

Das ist nicht, was ich meine...
Was ich ich meine, hat erstmal keinen speziellen Bezug zu "Profilbetrachtungen". Es geht nur um das Argument vermeintlich unterschiedlicher Skalen.
Aufgrund der Selbstähnlichkeit fraktaler Strukturen hat eine auf grosser Skala registrierte "Hang-Turbulenz" als Folge "ähnliche Turbulenzen" auf kleineren Skalen.

 

[Heiko1]

Hallo zusammen,

Drela/Youngren selbst hatten in der (zugegebenermaßen schon etwas älteren) Beschreibung von XFOIL einige Werte für ncrit angegeben. Die Beschreibung gibt es noch unter
https://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/xfoil_doc.txt
Wenn man dort nach ncrit sucht findet man einige Werte für verschiedene Situationen. Diese halte ich für den Modellflugbereich allerdings für zu hoch angesetzt.

Meine persönliche Erfahrung aus dem Modellflugbereich in der Ebene in ruhiger Luft ist, dass ncrit Werte von 9-10 in der Theorie am besten das wiederspiegeln, was sich in der Praxis beobachten lässt. Eine weitere Beobachtung aus der Praxis ist auch, dass wenn die Luft turbulenter wird Profile funktionieren, die in ruhiger Luft eher ein RE-Zahlproblem haben. Dies deckt sich wiederum mit der Annahme, dass in turbulenter Luft mit kleineren ncrit gerechnet werden sollte um einen früheren Umschlag zu provozieren: Denn wenn man ein Profil in einem RE-Bereich rechnet, in dem es nicht mehr sauber funktioniert (z.B. MH33 bei RE 500000 mit Ncrit 10) und dann nur den ncrit auf 8 heruntersetzt, funktioniert das Profil auf einmal wieder, da der Strömungsumschlag früher einsetzt.

Daher halte ich einen ncrit=7-8 für die Auslegung eines Profils das sich vorwiegend in turbulenter Luft bewegt für eine gute Wahl.

Viele Grüße,
Heiko

 

[2small2fail]

Hallo Jochen!

Ich habe so eine "stille Befürchtung", dass wir am Hang mit ncrit eher noch tiefer gehen müssen... ?

Das grundlegende Problem dürfte sein, dass "Hänge" ziemlich unterschiedlich "turbulent" sein können:
Von recht laminarer Anströmung bei gleichmässigem Wind vom Meer her auf einen "glatten" Hang ("Windkanal des kleinen Mannes") bis zu einem Inlandhang bei böigem Wind mit Turbulatoren im Luv und am Hang.
Turbulenzgradmessungen in realen Situationen wären sehr interessant. Messtechnisch ist das wohl nicht so einfach.

Es gibt also wohl keine "eine" Hang-Ncrit-Zahl!
Eine gewisse Ncrit-Robustheit bei der Profiloptimierung ist sicher eine gute Sache.

Und...
XFOIL ist auch nur ein Modell mit dem "freien" Parameter "Ncrit", das sich bemüht, die Wirklichkeit zu beschreiben!!!

Fliegergrüsse
Tobias

 

[Jojo26]

(ich möchte die spannende ncrit-Diskussion durch diesen kleinen Zwischeneinschub nicht unterbrechen, aber dies hatte ich noch vergessen...)

Tipp: Die Sache mit Re√cl

Wie bestimmt man diesen für die Auslegung wichtigen Kennwert der Polare des stationären Gleitflugs?

Lange Zeit hatte ich es gemäß der öfters beschrieben Vorgehensweise gemacht und mir in FLZ-Vortex oder xflr5 an meinen Flügel an der gewünschten Spannweitenposition, die Re-Zahl und den aktuellen cl-Wert abgelesen ... die Wurzel gezogen und hatte endlich den Wert für die Profilberechnung. Was ist aber, wenn ich noch gar keinen Flügel vollständig definiert habe?

Es geht auch einfacher, denn der Ausdruck Re√cl = const ist per se nicht von der Geschwindigkeit abhängig.
Wenn man Re und √cl ersetzt, umformt, zusammenfasst, die Einheiten noch mundgerecht macht, bleibt folgende einfache Formel übrig:

Re√cl = 900 * t * √FB (mit t= Flächentiefe in cm, FB = Flächenbelastung in g/dm², der Faktor 900 ist gerundet)

Wenn man also seine Ziel-Flächenbelastung kennt, bekommt man direkt Re√cl an der gewünschten Flächentiefe.
Noch nie war Re√cl so einfach wie heute

Wer mit xflr5 arbeitet, findet den Wert von Re√cl an der Flächenwurzel und an der Flächenspitze auch im Dialogfenster der Flugzeug-Analyse:

Dies wie gesagt nur so zwischendurch ...

 

[Jojo26]

nun aber zurück zu "ncrit" ...

Frage: Befinden wir uns mit unserem Modell, das tief über den Hang brettert, nicht mitten in der turbulenten "Grenzschicht", die Wind und Boden bilden? (m.W. kann diese makroskopische Grenzschicht über 100m hoch sein -> Auslegung Windkraftanlagen)
Sind dann nicht auch schon zum Beispiel aufgewühlte Wellen Störungen dieser Grenzschicht? Die dann maßgeblich sind, was bei unserer Mini-Grenzschicht am Tragflügel ankommt?

Jochen

 

[Röhrich]

Hmm, interessantes Thema aber auch nicht ganz trivial. Kann es sein, dass der fraktalen Charakter erst für eine vollständig entwickelte Turbulenz gilt? Ob das für einen Hang an der Küste schon gilt?
Siehe das Beispiel mit dem Hochhaus hier:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Energy_cascade
Ich frag mich allerdings auch schon seit langem warum die Strömung über dem Meer überhaupt so laminar ist - die Reynoldszahlen sind ja hier schon lange über der kritischen der ebene Platte bzw. was macht die Strömung wieder laminar wenn sie mal turbulent war? Alles in Wärme verbraucht? Dazu hab ich bisher nirgends was Sinnvolles gefunden. Beim Segeln gibt es so eine Aussage (Frank Bethwaite) dass die Grenzschicht über Wasser ca 10m dick und bis 5 Knoten laminar ist- daher bilden sich auch erst ab 5 Knoten Windwellen. Was hält sie trotz der enormen Lauflängen laminar?
Naja, wie gesagt - kompliziert und ich versteh es nicht.
Messungen zur Turbulenz in der Atmosphäre gibt es ja leider auch wenig. Das würde vielleicht helfen.
Schöne Grüße

 

[Röhrich]

(ich möchte die spannende ncrit-Diskussion durch diesen kleinen Zwischeneinschub nicht unterbrechen, aber dies hatte ich noch vergessen...)

Tipp: Die Sache mit Re√cl

Wie bestimmt man diesen für die Auslegung wichtigen Kennwert der Polare des stationären Gleitflugs?

Lange Zeit hatte ich es gemäß der öfters beschrieben Vorgehensweise gemacht und mir in FLZ-Vortex oder xflr5 an meinen Flügel an der gewünschten Spannweitenposition, die Re-Zahl und den aktuellen cl-Wert abgelesen ... die Wurzel gezogen und hatte endlich den Wert für die Profilberechnung. Was ist aber, wenn ich noch gar keinen Flügel vollständig definiert habe?

Es geht auch einfacher, denn der Ausdruck Re√cl = const ist per se nicht von der Geschwindigkeit abhängig.
Wenn man Re und √cl ersetzt, umformt, zusammenfasst, die Einheiten noch mundgerecht macht, bleibt folgende einfache Formel übrig:

Re√cl = 900 * t * √FB (mit t= Flächentiefe in cm, FB = Flächenbelastung in g/dm², der Faktor 900 ist gerundet)

Wenn man also seine Ziel-Flächenbelastung kennt, bekommt man direkt Re√cl an der gewünschten Flächentiefe.
Noch nie war Re√cl so einfach wie heute

Wer mit xflr5 arbeitet, findet den Wert von Re√cl an der Flächenwurzel und an der Flächenspitze auch im Dialogfenster der Flugzeug-Analyse:

Anhang anzeigen 11864826

Dies wie gesagt nur so zwischendurch ...

Cooler Tip - Danke. Ich kram jedesmal wieder aufs neue die Viskositäten und Dichten raus....

 

[2small2fail]

nun aber zurück zu "ncrit" ...

Frage: Befinden wir uns mit unserem Modell, das tief über den Hang brettert, nicht mitten in der turbulenten "Grenzschicht", die Wind und Boden bilden? (m.W. kann diese makroskopische Grenzschicht über 100m hoch sein -> Auslegung Windkraftanlagen)
Sind dann nicht auch schon zum Beispiel aufgewühlte Wellen Störungen dieser Grenzschicht? Die dann maßgeblich sind, was bei unserer Mini-Grenzschicht am Tragflügel ankommt?

Jochen

Das sind schon ziemlich unterschiedliche "Grenzschichten"!

Der Flieger wird wohl im Wesentlichen zwei Dinge "sehen":

• Luft mit einem höheren Turbulenzgrad - sich örtlich am Hang und mit der Höhe unterscheidend (Ncrit erniedrigt und ggf. variierend).
• Sich erratisch verändernde Anströmwinkel (auch lokal bezüglich nur Teilen des Fliegers).

 

[2small2fail]

Kann es sein, dass der fraktalen Charakter erst für eine vollständig entwickelte Turbulenz gilt?

"This transfer of energy between different scales requires that the dynamics of the system is nonlinear."
Diese nichtlinearen Prozesse generieren auch den fraktalen Charkter.

Hmm, interessantes Thema aber auch nicht ganz trivial.

Eine gute Übersicht über den "nicht trivialen" Stand der Dinge liefert "Cascades and transitions in turbulent flows".
Darin kann man auch nach "fractal" suchen...

 

[Röhrich]

Ok.
Hast Du noch eine Erklärung für mich für die "Laminarisierung" der Grenzschicht z.B. über Wasser? Warum kann man hier eine laminare Strömung haben obwohl die Lauflängen extrem lang sind?

 

[reinika]

Mal ganz pragmatisch betrachtet, glaube ich nicht, dass die übliche Turbulenz an einem Hang einen wesentlichen Einfluss auf sie Grenzschicht hat. Dies aufgrund folgender Beobachtung:
Laminare Ablöseblasen sind (meist) hörbar, sie erzeugen ein hochfrequentes pfeifen des Modells. An regennassen Flügeln verschwindet dieser Ton und das Modell läuft sichtbar schlechter. Dies führe ich auf vollflächige Turbulenz durch Tropfenbilung auf der Oberfläche zurück.

Tatsächlich habe ich auf entsprechend pfeifenden Tragflügeln mit meinem Flow-viz immer eine grössere Blase abgebildet gefunden, auch unterkritisch bis zur Endkante ausgedehnt. Ganz typisch bei dickeren HQ-Profilen an schmalen Tragflächen.
Andere potentielle Geräuschquellen habe ich nach Möglichkeit vor der Beurteilung bereinigt (abdichten, zukleben, etc), aber im regennassen Zustand spielen sie auch keine Rolle, bzw. verursachen sie auch kein pfeifen.

Wenn sich also Hangturbulenz auf ncrit nachhaltig auswirken würde, müsste das Modell in bodennahem Flug, oder hinter Büschen und Bäumen leiser werden. Tun meine aber nie.......wobei noch tiefer fliegen oft nicht geht
Jedoch werden sie oft leiser, wenn sie besonders schnell werden. Re-Zahl ? Auch ein passender Turbulator stellt die Heulerei ab.

Ich habe aber auch zwei Hangsegler, welche dafür berüchtigt sind, dass man sie nicht kommen hört. Beide verfügen über Profile mit deutlichen Rampen, natürlich auch gut schliessende Dichtlippen an den Klappen, etc.

Natürlich kann man auch vermuten, dass die Hangturbulenz nicht ganz ausreicht um die hörbare Blase ganz zum verschwinden zu bringen.......Ich weiss es auch nicht genau.......

Jm2C
Reini

Frage an Hans:
Warum rechnest Du an Leitwerken mit tieferem ncrit?

 

[Jojo26]

Hi Reini

... your thoughts are at least a buck ...!
;-)

Mmmh - Nach meinem Verständis treten Ablöseblasen eher im mittleren, unteren Re-Zahl-Bereich bei mittleren cl-Werten auf. Ist es "erwiesen", dass Ablöseblasen die Ursachen für das berüchtigte Geschwindigkeits-Pfeifen sind? Spielen da eventuell noch andere Effekte rein, die diese Schwingungen erzeugen?

(ja - ich mache eine ähnliche Beobachtung - das JX-FX ist (als ziemliches bubble ramp) absolut lautlos)

Jochen

 

[reinika]

Erwiesen ist meinerseits gar nichts. Geräusche können an verschiedensten Stellen entstehen.
Ich beobachte einfach, dass Turbulatoren diese Geräusche beseitigen können, wie auch Die Blasen in Anstrichbildern.
Interessant ist auch, dass ein regennasser Flügel auch mit schlecht sitzenden Dichtlippen ruhig wird. Die Grenzschicht wird da wohl sehr dick.....

Ablöseblasen eher im mittleren, unteren Re-Zahl-Bereich bei mittleren cl-Werten

Das ist das was Xfoil widergibt, ja. Auch in Windkanalmessungen sieht man die typischen Widerstandseinbrüche unterhalb ca 0.5 bei kleinen Re-Zahlen. Soweit klar.
Aber wenn eine Longbubble sehr niedrig bleibt, kann sie trotzdem die Endkante erreichen auch bei höheren Re-Zahlen und kleinen Ca. Das muss Xfoil nicht zwingend erfassen. Das muss auch nicht unbedingt zu erhöhtem Widerstand führen. Aber Heulen kann das imho schon, eben bis zB. ein Turbulator gesetzt wird.
Ich vermute aber, dass solche Longbubble-Effekte im Modellsegelflug eher unkontrolliert auftreten, alleine schon wegen der erreichbaren Baugenauigkeit und des sehr breiten geflogenen Geschwindigkeitsspektrums. Und auch an Profilen ohne klar definierten ausgeprägten Hauptdruckanstieg.

Reini

 

[Hans Rupp]

Hallo

@Reini:
Zu meiner ncrit-Wahl am LW muss ich ausführlich werden, sprich schwafeln, weil es auf vielen Annahmen und Einschätzungen beruht, die man glauben kann, aber nicht muss. Ich setz mich mal dran. Vorweg: es hat auch damit zu tun, dass ich ausschließlich Leitwerksprofile für Modelle mit V-Leitwerk entworfen habe und keine Entenflugzeuge

@Jochen:
Besonders Interessant fand ich hier deine Auführungen zu den "Spoilern" . XFOIL liebt sie, das blöde ist, die Praxis anscheindend auch aber anders. Ich habe das mal etwas unabsichtlich ausprobiert, als ich die Hinterkante eines Flügels falsch besäumte und einen Spoiler stehen lies (die Form hat keine Endkante an der Endleiste sondern führt die Oberseite stetig weiter, ich lies da immer 5mm stehen bis alles fertig ist, falls ich irgendwo gegenstoße und ein Macken reinhaue). Als ich das bemerkte und die versehentlich stehen gelassenen 5mm entfernte, hat sich die mittlere Gleitleistung meiner Beobachtung nach verschlechtert. Das ist aber schwierig zu beurteilen, da sich etliches änderte (anderer Tag, andere Verhältnisse, weniger Profilmoment, umtrimmen) und ich hatte den Eindruck, dass ich durch einen Tick Verwölbung die Gleitleistung wieder anheben konnte. Das Profil in dem Fall ist sowieso etwas zu auftriebschwach designt und wird von mir in Grundstellung immer etwas positiv verwölbt geflogen. MAcht das also recht schwierig zu beurteilen und einzuordnen. Wie Du auch für Dich gefolgert hast, scheint XFOIL die Grenzschichtdicke hinten zu klein zu modellieren, es bevorzugt meiner Beobachtung nach Profile mit (zu) kleinem Öffnungwinkel an der Endleiste.

Hans

 

[reinika]

Hallo

@Reini:
Zu meiner ncrit-Wahl am LW .................... Vorweg: es hat auch damit zu tun, dass ich ausschließlich Leitwerksprofile für Modelle mit V-Leitwerk entworfen habe und keine Entenflugzeuge

Hans

OK, sowas hab ich vermutet.........reicht mir als Antwort

 

[deftones]

Hallo,

habt ihr euch bei euren Spekulationen zur Transitionsberechung eigentlich schon mal Gedanken darüber gemacht, in welcher Größenordnung die "Turbulenz der turbulenten Hangströmung" sein müsste, damit sie Einfluss auf die Umschlagslage haben kann?

Zur Wahl des "richtigen" Ncrit muss man sich zunächst damit beschäftigen, wie die e^N Methode in xfoil implementiert ist. Dazu würde ich folgendes Paper empfehlen: https://www.iag.uni-stuttgart.de/dateien/pdf/arbeitsgruppe-laminarwindkanal/stab96.pdf sowie diesen Vortrag (Kommentare im pdf beachten): https://www.iag.uni-stuttgart.de/dateien/pdf/arbeitsgruppe-laminarwindkanal/ssym00.pdf

Wie die e^N Hüllkurvenverfahren in xfoil umgesetzt ist und sich mit direkter Stabilitätsanalyse vergleicht, findet man in diesem Artikel: https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2003-4066

In der aktuellen xfoil Version hat man neben dem e^N Hüllkurvenverfahren auch eine e^N Datenbankmethode als Referenz. Zudem kann man Ncrit für das e^N Hüllkurvenverfahren auf Saug- und Druckseite getrennt einstellen, um die in den obigen Veröffentlichungen beschrieben Einschränkungen des Verfahrens auszugleichen. Siehe Beispiel eines alten Rennklasse Profils (H301) anbei.

Viele Grüße,
Benjamin

 

[Nevermeggs]

Hallo,
Ich lese hier seit Anfang an mit und finde es aktuell das spannendste Thema auf RCN ... sehr gute und sachliche Kommunikation, was heute in Foren oft (leider) nicht gegeben ist.

Ich kenne mich mit Flugaerodynamik nicht aus, habe jedoch immer wieder Kontakt mit der Wirkung von Aerodynamik im professionellen Motorsport (Rally, Le Mans, F1) gehabt.
Was ich immer wieder hier lese ist, dass die Berechnung/Simulation angezweifelt wird, da diese ohne Windkanal im freien Flug faktisch nicht oder nur sehr schwer nachzuweisen ist. Ich begrüße deswegen auch die Anstrengungen von dir Jochen und Martin eine F3F Segler mit Messtechnik auszustatten um Messwerte aus Flügen zu erhalten ... das andere spannende Thema.

Nun zu meinem eigentlichen Punkt.
Bei Aerodynamiktest von Rennfahrzeugen auf der Rundstrecke oder an Flugplätzen (lange Startbahn) hat sich bei Privatteams eine Methodik entwickelt um z.B. die Einstellung eines Heckflügels zu optimieren. Es wird Petroleum mit Mehl vermischt und dann an verschiedenen Stellen an der Vorderkante des Heckflügels dünn aufgetragen. Nun werden Fahrversuche mit verschiedenen Geschwindigkeit gefahren und dann die jeweiligen Verlaufsspuren des Öl/Mehl Gemisches fotografiert. Es werden so mehrere Aerolayouts bei verschiedenen Geschwindigkeiten "erfahren" und dann optisch ausgewertet.
Wäre das eine Methodik die am F3F Modell anwendbar ist um z.B. die Position der Ablösung optisch darzustellen?

Lieber Gruß aus Graz
Volker

 

[G.B.]

...hört sich auf jeden Fall sympathischer an als das übliche Ruß-Öl-Gemisch... und die Hemmschwelle, seinen Flieger damit zu behandeln sinkt gewaltig... werd ich mal probieren
Auch hat der geneigte Leser jetzt mal eine Vorstellung davon, was ausser Wind und Thermik noch so alles die bekannte Setup-Hölle auslösen kann
Vielen Dank für diese interessante Diskussion
Gruß Götz