Aerodynamische Reibungskraft
Wenn ein Fluid über eine stationäre Oberfläche fließt , z. B. die flache Platte, das Flussbett oder die Wand eines Rohrs, wird das Fluid, das die Oberfläche berührt , durch die an der Wand anliegende Scherspannung zum Stillstand gebracht . Der Bereich, in dem sich die Strömung von der Geschwindigkeit Null an der Wand bis zu einem Maximum im Hauptstrom der Strömung einstellt, wird als Grenzschicht bezeichnet . Daher übt ein sich bewegendes Fluid tangentiale Scherkräfte auf die Oberfläche aus, und zwar aufgrund des durch viskose Effekte verursachten rutschfesten Zustands . Diese Art der Widerstandskraft hängt insbesondere von der Geometrie, der Rauheit der festen Oberfläche (nur bei turbulenter Strömung ) und der Art der Fluidströmung ab. Die aerodynamische Reibungskraft ist proportional zur Oberfläche. Daher erfahren Körper mit einer größeren Oberfläche einen größeren Reibungswiderstand. Aus diesem Grund reduzieren Verkehrsflugzeuge ihre Gesamtfläche, um Treibstoff zu sparen. Der Reibungswiderstand ist eine starke Funktion der Viskosität, und ein “idealisiertes” Fluid mit einer Viskosität von Null würde einen Reibungswiderstand von Null erzeugen, da die Wandschubspannung Null wäre.
Hautreibung wird durch viskosen Widerstand in der Grenzschicht um das Objekt verursacht. Grundlegende Eigenschaften aller laminaren und turbulenten Grenzschichten werden in der sich entwickelnden Strömung über eine flache Platte gezeigt. Die Stufen der Bildung der Grenzschicht sind in der folgenden Abbildung dargestellt:
Die Grenzschichten können abhängig vom Wert der Reynolds-Zahl entweder laminar oder turbulent sein .
Für niedrigere Reynolds-Zahlen ist die Grenzschicht laminar und die Strömungsgeschwindigkeit ändert sich gleichmäßig, wenn man sich von der Wand entfernt, wie auf der linken Seite der Abbildung gezeigt. Mit zunehmender Reynoldszahl (mit x) wird die Strömung instabil, und schließlich ist bei höheren Reynoldszahlen die Grenzschicht turbulent und die Strömungsgeschwindigkeit durch instabile (sich mit der Zeit ändernde) Wirbelströmungen innerhalb der Grenzschicht gekennzeichnet.
Der Übergang von der laminaren zur turbulenten Grenzschicht erfolgt, wenn die Reynoldszahl bei x Re x ~ 500.000 überschreitet . Der Übergang kann früher erfolgen, ist jedoch insbesondere von der Oberflächenrauheit abhängig . Die turbulente Grenzschicht verdickt sich infolge erhöhter Scherspannung an der Körperoberfläche schneller als die laminare Grenzschicht.
Es gibt zwei Möglichkeiten, den Reibungswiderstand zu verringern :
- Die erste besteht darin, den sich bewegenden Körper so zu formen, dass eine laminare Strömung möglich ist
- Die zweite Methode besteht darin, die Länge des sich bewegenden Objekts zu vergrößern und den Querschnitt so weit wie möglich zu verkleinern.
Der Oberflächenreibungskoeffizient , C D, Reibung , ist definiert durch
Es ist zu beachten, dass der Hautreibungskoeffizient gleich dem Fanning-Reibungsfaktor ist . Der nach John Thomas Fanning benannte Fanning-Reibungsfaktor ist eine dimensionslose Zahl, die ein Viertel des Darcy-Reibungsfaktors ausmacht . Wie zu sehen ist, besteht ein Zusammenhang zwischen Hautreibungskräften und Reibkopfverlusten .
Siehe auch: Darcy-Reibungsfaktor
Für die laminare Strömung in einem Rohr ist der Fanning-Reibungsfaktor (Hautreibungskoeffizient) eine Folge des Poiseuille-Gesetzes , das durch folgende Gleichungen gegeben ist:
Bei turbulenten Strömungen sind die Dinge jedoch schwieriger, da der Reibungsfaktor stark von der Rohrrauheit abhängt . Der Reibungsfaktor für den Flüssigkeitsfluss kann mithilfe eines Moody-Diagramms bestimmt werden . Beispielsweise:
Die Reibungskomponente der Widerstandskraft ist gegeben durch:
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