Laminare Ablöseblase

Im Flugmodellbau spielt die laminare Ablöseblase aufgrund der niedrigen Reynolds-Zahlen eine wichtige Rolle bei Flugleistung und -eigenschaften. Die Topologie von laminaren Ablösungen wird am Beispiel der Profile RG-15 und E387 mit Hilfe von Windkanalversuchen veranschaulicht und diskutiert.

Ein Phänomen, das im Flugmodellbau eine wichtige Rolle spielt, ist die laminare Ablöseblase. Das ist übrigens einer der entscheidenden Schwachpunkte in den heutzutage verfügbaren Simulationsverfahren, dass der Widerstandszuwachs durch laminare Ablösungen nur eingeschränkt genau berechnet werden kann. Insbesondere in dem Fall, wenn bei niedrigen Reynolds-Zahlen eine laminare Ablösung der Grenzschicht ohne Wiederanlegen erfolgt, gibt es einen erheblichen Widerstandszuwachs und einen Auftriebsverlust. Diese auch als unterkritisch bezeichnete Umströmung kann kein Simulationsverfahren heutzutage verlässlich vorhersagen, das ist immer noch ein Forschungsgegenstand. In diesem Bereich ist man auf Windkanalmessungen angewiesen.

Eigentlich könnte die Lösung einfach sein: Wenn man laminaren Ablösungen mit Turbulatoren vermeidet, gibt es kein Problem! Ist diese These haltbar? Nein, denn es gibt Profile, die in bestimmten Anstellwinkelbereichen mit laminarer Ablöseblase eine höhere Flugleistung aufweisen, als wenn man diese eliminieren würde. Aber bevor wir uns mit Maßnahmen gegen irgendetwas Unbekanntes beschäftigen, sollten wir uns das Phänomen genauer ansehen, um ein Verständnis für die Funktionsweise einer laminaren Ablöseblase zu entwickeln.

Zur Eingrenzung ist zu sagen, dass dieses Phänomen der laminaren Ablösung schon bei großen Insekten und Vögeln beginnt, Modellflugzeuge und Segelflugzeuge betrifft, aber bei motorisierten Kleinflugzeugen endet. Also fangt bitte nicht an, bei Reynolds-Zahlen von 20 Millionen über lange laminare Laufstrecken bei Luftströmungen zu philosophieren. In dem Bereich liegt bei der heutzutage realisierbaren Oberflächengüte und verfügbaren Materialien eine überwiegend turbulente Strömung der Grenzschicht vor, bei der die laminare Laufstrecke von nur wenigen Prozentpunkten im Regelfall vernachlässigbar ist.

Bei Reynolds-Zahlen von 5 bis 10 Millionen tritt in einigen Fällen keine laminare Ablöseblase mehr auf, sondern es erfolgt eine sogenannte Bypass Transition. Das ist ein spontaner Umschlag von laminarer Strömung in turbulente ohne Separation, der derzeit nur empirisch abgeschätzt werden kann. Unter anderem mit DNS Methoden versucht man seit einigen Jahren, diesen Mechanismus zu verstehen. Insofern beschränkt sich die nun folgende Betrachtung auf Luftströmungen im Reynolds-Zahlbereich von 100.000 bis ungefähr 5.000.000, bei denen üblicherweise bei glatter Profiloberfläche eine stationäre laminare Ablöseblase vorliegen kann, aber nicht muss. Im Modellflugbereich kann man, wie eingangs erläutert, im Regelfall davon ausgehen, dass eine laminare Ablösung vorliegen wird.

 

Profiloberseite bei niedrigen Reynolds-Zahlen

Eine laminare Ablöseblase am Profil entsteht, wenn die laminare Strömung von der Profilnase in den Hauptdruckanstieg des Profils übergeht, dort verzögert wird, sich infolgedessen aufstaut und dicker wird (Bernoulli). Die Strömung kann dem weiteren Druckanstieg der Kontur nicht mehr folgen, eine laminare Ablösung entsteht am Punkt (A). Dieser Punkt ist dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzschicht Geschwindigkeitsprofil einen Wendepunkt aufweist und senkrecht auf dem Profil endet, anstatt mit einer flachen Steigung. Die Geschwindigkeit der Grenzschicht ist also hier auch fern von der Profilkontur noch Null und das ist der Beginn der Ablöseblase.

Die laminare Strömung bildet ab diesem Punkt (A) nun eine freie Scherschicht aus und verläuft oberhalb der Blase, die durch die Trennstromlinie (rot) gekennzeichnet ist. Die in der Strömung vorhandenen Störungen (Tollmien-Schlichting Wellen) haben nun nach oben und unten Freiheitsgrade sich zu entwickeln und die Anfachung führt zur Bildung von ersten Turbulenzkernen, die noch von laminarer Strömung umgeben sind. Irgendwann dominieren die Wirbel die Grenzschicht und dieses ist der turbulente Umschlagspunkt (Punkte T', T''). Dass dieser Punkt keineswegs so eindeutig bestimmt ist, wie es hier zunächst den Anschein hat, sei insofern nur am Rande angemerkt.

Ab dem Umschlagspunkt kommt der Energietransport der turbulenten Strömung quer zur Strömungsrichtung zum Tragen. Dadurch gelingt es der wirbelbehafteten Strömung, die laminare Ablöseblase von oben zur Profilkontur hin zu schließen. Die turbulente Strömung schließt auf diese Weise die laminare Ablöseblase, das ist der Punkt des Wiederanlegens (W). Hinter der Ablöseblase bildet sich dann langsam ein normales turbulentes Grenzschichtprofil aus. Den Hauptdruckanstieg zur Endleiste schließt die turbulente Strömung dann ohne turbulente Ablösung.

Turbulente Strömung kann stärkeren Druckanstiegen folgen, als laminare Strömung das vermag. Selbstverständlich löst auch eine turbulente Strömung irgendwann bei zu starkem Druckanstieg ab, aber die hier betrachteten Tragflügelprofile sind so ausgelegt, dass Druckanstiege mit turbulenter Ablösung an der Endleiste erst nahe dem Maximalauftrieb erreicht werden.

Ein wichtiges Stabilitätskriterium für Grenzschichten ist in den Geschwindigkeitsprofilen abgebildet: Wendepunkte im Grenzschichtprofil kennzeichnen Instabilitäten, die in der Folge zu Ablösungen führen.

 

Laminare Ablöseblasen im Windkanalversuch

Strömungsvisualisierung mit dem Laser-Lichtschnitt Verfahren

Die stationären Eigenschaften einer solchen laminaren Ablöseblase kann man sich in folgendem Video im Windkanalversuch ansehen. Zwischen der Außenströmung und der Blase findet nur ein geringer Energieaustausch statt, weswegen die Blase relativ stabil ist. Bitte beachten, dass das Einblasen vom Rauch zum Zweck der Visualisierung die Blase auch destabilisiert, so dass sich eine Blase in freier Umströmung ohne Störung durch Einblasung von Rauch sowie Windkanalturbulenz etwas stabiler darstellt, als im Windkanalversuch. Dennoch sieht man sehr gut, wie sich ein Rezirkulationsgebiet in der laminaren Ablöseblase bei einer Re-Zahl von 200.000 ausbildet. Im Video ist die Trennstromlinie in der Farbe Rot eingeblendet, so dass die Interpretation der Strömung mit Hilfe der schematischen Abbildung 1 gelingen sollte.

Dieter Sartorius hat das Video mit dem Laser-Lichtschnitt Verfahren (grüner Laser) im »Stuttgarter Modellwindkanal« am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart im Jahr 2002 am Profil RG-15 aufgenommen; die Nutzung der Videos für aerodesign wurde vom IAG freundlicherweise genehmigt.

Wenn sich diese laminare Ablöseblase zur Endleiste nicht schließt, liegt eine laminare Strömungsablösung vor. Das ist der hinsichtlich Flugleistung und Widerstandsbilanz zu vermeidende Katastrophenfall. Bei den hier gezeigten Fotos und Videos schließt sich jeweils die Blase auf dem Profil mit Hilfe des laminar-turbulenten Strömungsumschlags, wie es der Fall sein sollte.

Turbulatoren haben einen Einfluss auf den Strömungsumschlag und Blasenbildung, so dass man von einem sogenannten natürlichen Strömungsumschlag (Free Transition) zu einem erzwungenen kommt (Forced Transition). Bei unseren Re-Zahlen im Modellflug haben wir fast immer eine Blase, den Sonderfall der Bypass Transition behandeln wir hier daher nicht.

 

Anstrichbild am (unendlichen) Tragflügel

Bisher haben wir nur die Profilschnittebene betrachtet, jetzt kommt der unendliche Tragflügel in der Draufsicht hinzu. Bei der Visualisierung für Grenzschichten hat der gute alte Ruß-Öl-Anstrich auf weiß lackierten Modellen meistens ausgedient. Heute verwendet man im Windkanal im Regelfall schwarz lackierte Modelle, auf die eine Suspension aus Petroleum mit Alkohol und lumineszierenden Partikeln aufgebracht wird. Dieses hat den Vorteil, dass man die bildgebende Schicht sehr dünn auftragen kann, weil man mit relativ wenigen Partikeln im Schwarzlicht bereits ein auswertbares Ergebnis erhält. Dadurch wird die Messung selbst durch die aufgetragene Suspension weniger beeinflusst. Darüber hinaus kann man an schwarz lackierten Modellen Laser-Lichtschnitt Aufnahmen sowie Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen durchführen, was zwei weitere Gründe für schwarz lackierte Windkanalmodelle sind, das aber nur als Information am Rande. Nun aber zur Auswertung eines solchen Anstrichbilds am Profil Eppler E387.

Im Anstrichbild sieht man den laminaren Strömungsbereich, der von der Profilnase links bis 44% der Profiltiefe verläuft sehr gut. Dann beginnt der Bereich der laminaren Ablöseblase, bei der die Tröpfchen einfach liegen bleiben. Die Rezirkulation in der Blase ist sehr schwach ausgeprägt, daher bezeichnete man früher die gesamte Blase auch als Totwassergebiet. Heute weiß man, dass nur im vordersten Bereich der Ablöseblase kein nennenswerter Strömungstransport mehr stattfindet, was man im Laser-Lichtschnitt (Video 1) an der Rauchansammlung im Totwassergebiet sehr gut erkennen kann.

Hinter dem Umschlagspunkt, den man im Anstrichbild nur indirekt erkennen kann, erfolgt das turbulente Wiederanlegen, was man aufgrund der Methode des Anstrichbildes sehr schön anschaulich sieht. Die Trennstromlinie hat ihren Staupunkt auf dem Profil bei 64% und verursacht eine Rückströmung, die nah am Rezirkulationswirbel zunächst noch stark genug für den Transport der Suspension ist. Die Energie des Rezirkulationswirbels nimmt mit zunehmendem Abstand vom Zentrum stark ab, wodurch die Tröpfen in der Blase nicht weiter nach vorne Richtung Profilnase entgegen der Hauptströmungsrichtung transportiert werden, die Ölsammellinie ist geboren. Die Lage kann zufällig mit dem Umschlagspunkt übereinstimmen, muss es aber keineswegs. Insofern kann man erwarten, dass in der Nähe der Ölsammellinie der Umschlag in der Grenzschicht oberhalb der laminaren Ablöseblase zu suchen ist.

Hierbei ist anzumerken, dass die Anstrichmethode selbst durch die Existenz der Tropfen die Verhältnisse beeinflusst. Das heißt die Zirkulation in der Blase wird durch die Tröpfchen gestört. Im Vergleich zum Laser-Lichtschnittvideo kann man sehen, dass dieser Rezirkulationswirbel in seiner Wirkung weiter nach vorne reicht, wenn er nicht gestört wird. Bitte beachten, dass entgegen der weitverbreiteten Ansicht die Ölsammellinie nicht der Punkt des laminar-turbulenten Umschlags ist, sondern nur das Ende des Transports der Suspension innerhalb der Blase entgegen der Strömungsrichtung durch den Rezirkulationswirbel markiert. Je nach Einstellung der Viskosität liegt diese Linie anders, sie kann zufälligerweise mit dem Umschlagspunkt T'' identisch sein, muss es aber nicht.

 

Aeroakustik der Grenzschicht

Es gibt eine weitere Methode, den Umschlagspunkt der laminar-turbulenten Strömung und die laminare Ablöseblase zu identifizieren, das funktioniert mit Hilfe von einem Hörrohr. An die Sonde, ein sehr dünnes Rohr, kann man entweder ein Stethoskop oder ein Mikrophon anschließen, wie in diesem Fall. Laminare Strömung klingt in der Grenzschicht wie ein leises Rauschen oder Säuseln. In der laminaren Ablöseblase hört man außer dem Windkanalgeräusch gar nichts, erst Richtung Staupunkt der Trennstromlinie hört man erste Geräusche der turbulenten Strömung in Form von Knacklauten. Dieses akustische Phänomen wird durch die Schwankungsbreite der Geschwindigkeit (RMS-Werte, Root Mean Square) in der turbulenten Grenzschicht verursacht, also die Turbulenzintensität. Bitte jetzt Lautsprecher aufdrehen und zuhören, Video ab!

Im Video wird der Anstellwinkel des Profils variiert, rechts ist die Skala eingeblendet. Auf diese Weise sieht man, wie die laminare Ablöseblase abhängig vom Anstellwinkel über die Profiltiefe wandert. Das hörbare Knacken ist für turbulente Strömung charakteristisch. Auch mit Hilfe akustischer Methoden kann man also die Strömungsphänomene untersuchen und die Ablöseblase identifizieren.

Anhand der Ausrichtung der Wollfäden, einer weiteren klassischen Visualisierungsmethode der wandnahen Strömung, sieht man ebenfalls, dass es in der laminaren Ablöseblase eine Rückströmung gibt. Allerdings sei auch darauf hingewiesen, dass Wollfäden die Strömung stark stören und für laminar-turbulente Untersuchungen aufgrund dieser Eigenschaft eher schlecht geeignet sind. Hier wurden sie nur zur Visualisierung angebracht, um anschaulich die Effekte über den Anstellwinkelbereich mit dem Hörrohr zu zeigen. Bei einer Messung würde man wegen der durch Wollfäden selbst ausgelösten Turbulenz hierauf verzichten.

Wer selbst einmal Versuche mit Wollfäden zur Untersuchung seines Flugmodells unternehmen möchte, sieht hier ein weiteres wichtiges Detail, was zu beachten ist, wenn man den laminar-turbulenten Umschlag mit Blase visualisieren will. Die Anordnung der Fäden in einer schrägen Linie führt dazu, dass die sich V-förmig ausbreitende turbulente Störung eines Wollfadens mit dem benachbarten Wollfaden möglichst wenig Interferenz aufweist. Deswegen wurde hier kein komplettes Wollfadenfeld aufgeklebt, sondern lediglich eine diskrete schräge Linie.

 

Andere Messmethoden und Ergebnisse

Mit Laser-Lichtschnitt, Anstrichbild, Hörrohr und Wollfadenversuchen wurden vier klassische Methoden gezeigt, wie man laminar-turbulente Strömungen im Rahmen des Windkanalversuchs untersuchen kann. Diese Methoden finden übrigens auch im Flugversuch Anwendung. Wollfaden und Anstrichbild sind sicherlich die bekanntesten Visualisierungsmethoden. Im professionellen Flugversuch kommen diese altbekannten Methoden heutzutage seltener zum Einsatz, aber zur kostengünstigen Überprüfung der Umströmung eines Versuchsaufbaus oder Sensorfeldes werden sie immer noch gerne verwendet. Das Anstrichbild ist bis heute eine übliche Standardmethode im Bereich der Segel- und Modellflugzeuge. Es gibt selbstverständlich eine ganze Reihe weiterer geeigneter Messmethoden, auf die nun kurz hingewiesen werden soll.

Ebenso wie die Suspension das Messergebnis beeinflusst, sind auch das Hörrohr oder Hitzdrahtsonden Methoden, die das Messergebnis unmittelbar beeinflussen, was ein unerwünschter Nebeneffekt ist. Aber im Gegensatz zu Wollfädenversuchen, die für die Untersuchung von laminar-turbulenter Transition eher schlecht geeignet sind, weil die Fäden selbst als Turbulatoren wirken und Turbulenzkeile auslösen, ist die Beeinflussung gering. Mit Particle Image Velocimetry (PIV) kann man die Strömung dreidimensional mit sehr hohem messtechnischem Aufwand störungsarm untersuchen, denn die sehr feinen Partikel bewegen sich zwar wie die umgebende Luft, aber legen sich eben doch zonal auf das hochglanzpolierte Windkanalmodell - trotz aller Bemühungen, die elektrostatische Aufladung in jeder nur denkbaren Weise mit antistatischem Coating und geeignetem Partikelstaub auszutricksen.

Die Infrarot-Thermographie oder der Einsatz von temperaturempfindlicher Farbe sind im Windkanaltest und Flugversuch ebenfalls berührungslose Methoden, die die Messung nur in geringem Umfang beeinflussen. Hier wird der Unterschied des Transports der Wärmeenergie von laminarer und turbulenter Strömung genutzt (Nusselt-Zahl). Die turbulente Strömung kühlt die Struktur stärker ab. Man darf die Struktur allerdings nur geringfügig in der Wandtemperatur verändern. Bei Luftströmungen führt eine Aufheizung der Wand zur Destabilisierung der Grenzschicht und eine Abkühlung zur Stabilisierung (Hinweis: bei Flüssigkeiten ist es umgekehrt). Allerdings erhält man ebenso wie beim Anstrichbild nur ein Ergebnis der wandnahen Strömung und keine exakte Umschlagslage oberhalb der Blase.

Mit Piezzo Sensor-Array Folien lassen sich solche Messungen auch durchführen, aber diese Methode ist heutzutage eher hohen Staudrücken und Mach-Zahlen vorbehalten. Also genau dem Bereich, in dem im Regelfall keine nennenswerten laminaren Laufstrecken mehr vorliegen. Spezielle wissenschaftliche Versuchsaufbauten erzielen hier zwar auch noch laminare Laufstrecken am Tragflügel, Höhen- oder Seitenleitwerk (Stichwort »Laminar Glove« u.a.), aber im Normalbetrieb eines konventionellen Passagierflugzeugs darf man das nicht erwarten. Zusammengefasst ist festzuhalten, dass es heute also eine große Auswahl unterschiedlicher Messmethoden gibt. Allerdings ist auch der Versuchsaufwand weitaus höher, als bei den bewährten klassischen Methoden.

 

Schlussbemerkungen

Das war eine kurze Einführung in das Themengebiet der laminaren Ablöseblase. Hinter diesem Thema steht eine unglaubliche Themenvielfalt, die bis hin zur Herstellung von Medikamenten geht. Es gibt zum Beispiel Wirkstoffe, die mit Hilfe des laminaren Rezirkulationswirbels vermischt werden, alles ganz spannende Themen! Die Umschlagsmechanismen des laminar-turbulenten Strömungsumschlags haben wir hier nur am Rande im notwendigen Umfang gestreift, das ist ein eigenes Themenfeld.

Im Flugverhalten des Modells hat die laminare Ablöseblase garantiert jeder Modellflieger schon einmal erlebt. Die laminare Ablöseblase tritt nun einmal insbesondere im Landeanflug spürbar in Erscheinung und kann zu einer stark verschlechterten Ruderreaktion des Modells führen. Der Wutbürger in uns erwacht, wir sind empört! Daher wird wild gestikulierend »Störung« geschrien und der Hersteller verflucht. Es ist emotional betrachtet einfach schöner das Modell und den Hersteller zu verfluchen, als sich mit dem trockenen Thema der laminaren Ablöseblase zu beschäftigen.

Inzwischen gibt es eine ganze Reihe von Modellflugzeugen, die genau aus diesem Grund vom Hersteller mit Turbulatoren produziert und ausgeliefert werden, auch wenn darunter zum Teil etwas die Ästhetik leidet. Also vor dem Entfernen eines merkwürdig hässlich aussehenden Zierstreifens bitte im Geldbeutel nachsehen, ob die vorhandenen Restmittel zur Beschaffung eines neuen Flugmodells reichen. Es kann ein für die Flugeigenschaften entscheidender Turbulator sein! Genauso oft ist der Zierstreifen aber einfach nur hässlich und hat gar keine Funktion. Leider weiß man dieses gemäß Murphy's Law erst, nachdem das Modell Schrott ist - Schade eigentlich.

Eine weitere übliche Gegenmaßnahme gegen die laminare Ablöseblase wäre die Wahl eines anderen Hobbys, Golf spielen zum Beispiel. Oh, ganz schlechte Idee, da war etwas mit den Dimples - Thema Ablösung! Falls also doch kein anderes Hobby in Frage kommt, sind Turbulatoren die erste Wahl. Einige Anwendungsbeispiele im Modellflugbereich findet ihr hier auf dieser Website. Anhand des Profils AR 193-S75 habe ich das Thema exemplarisch mit X-Foil berechnet und ausführlich erläutert.

Im bemannten Segelflug sind im Bereich des Hochleistungssports Turbulatoren heutzutage nicht mehr wegzudenken. Ohne spezielle Laminarprofile mit Transitionsfixierung, welche die laminaren Ablöseblasen im relevanten Anstellwinkelbereich eliminiert, geht heutzutage kein Pilot mehr an den Start.

 

Quellen- und Literaturnachweis

1. Greg, Cole; Mueller, Tom: Smoke Flow Visualization of Laminar Separation Bubble E387, Notre Dame University.
2. O'Meara, M. M., Mueller, T. J.,: Laminar Separation Bubble Characteristics on an Airfoil at Low Reynolds Numbers, AIAA Journal, Vol. 25, No. 8, Aug. Issue, pp. 1033-1041, 1987.
3. Sartorius, Dieter: Laser-Lichtschnitt am RG-15, Video, IAG, Universität Stuttgart, 2002.
4. Selig, Michael S.: Low Reynolds Number Flow Visualization, UIUC Applied Aerodynamics Group, abgerufen am 13.11.2015.
5. Sartorius, Dieter: Aeroakustik der Grenzschicht am RG-15, Video, IAG, Universität Stuttgart, 2002.
6. Schlichting, Hermann; Gersten, Klaus: Grenzschicht-Theorie, Buch, 10. Auflage, 799 Seiten, 286 Abbildungen, 22 Tabellen, ISBN 978-3-540-23004-5, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2006.
7. Hepperle, Martin: Laminar Separation Bubbles, zuletzt abgerufen am 30.11.2015, 2003.
8. Siegmann, Hartmut: aerodesign Profilkatalog: AR 193-S75, Website, aerodesign.de, Zorneding, 2014.
9. Siegmann, Hartmut: Der Strömungsumschlag: Eine Einführung, Website, aerodesign.de, Stuttgart, 2001.