Profilwiderstand

Der Profilwiderstand ist eine Kraft, die an einem Flügelprofil bei Umströmung des Flügels durch ein Fluid (beispielsweise Luft um den Flügel eines Flugzeuges) entsteht. Die Widerstandskraft wirkt entgegen der Bewegungsrichtung des Flügels. Einflussgrößen auf den Widerstand haben die Form des Profils, die Strömungsart, die Dichte und Viskosität der Luft, die Anströmgeschwindigkeit, die Grenzschichtdicke und die Rauheit der Profiloberfläche. Rechnerisch setzt sich der Profilwiderstand aus zwei Anteilen zusammen, dem Druckwiderstand und dem Reibungswiderstand. Mit den entsprechenden aerodynamischen Beiwerten gilt

c_W = c_P + c_R.

c_W= Profilwiderstandsbeiwert

c_P=Druckwiderstandsbeiwert

c_R= Reibungswiderstandsbeiwert

Die Widerstandskraft (kurz Widerstand) (W) errechnet sich aus der Formel:

$W = c_W \cdot A \cdot \frac{\rho}{2} \cdot v^2$

A: Größe der Fläche des Flügels

ρ: Dichte des Fluids

v: Anströmgeschwindigkeit

Die Ermittlung der Widerstandsbeiwerte c_W verschiedenster Profile ist Gegenstand umfangreicher Windkanalmessungen. Damit die Messergebnisse vom Modell auf die Ausführung übertragen werden können ist als zuständige Vergleichszahl die Reynolds-Zahl (Re) und die Mach-Zahl (Ma) zu bestimmen. Die gemessenen Widerstandsbeiwerte werden dann in Diagrammen c_W / Re für inkompressible, bzw. c_W / Ma für kompressible Strömungen aufgetragen.
Dabei ergibt sich Folgendes: Im kleinen Geschwindigkeitsbereich und laminarer Strömung (Re < Re_krit) nimmt der c_W-Wert mit ansteigender Reynolds-Zahl ab. Dies ist erklärbar mit der zunehmend größer werdenden Energie der Strömung, die es ihr ermöglicht, dem Flügelprofil länger zu folgen und den Ablösepunkt entlang der Profiloberfläche nach hinten zu verschieben. Die turbulente Wirbelschleppe hinter dem Profil wird kleiner und verringert ihren Einfluss auf den Reibungsbeiwert.

Oberhalb der kritischen Reynolds-Zahl (Re = Re_krit) schlägt die laminare Strömung in ein turbulente um einhergehend mit einer größeren Grenzschichtdickte, welche einen deutlichen Anstieg des Reibungsbeiwertes im Bereich knapp oberhalb von Re_krit zur Folge hat; im folgenden mittleren Geschwindigkeitsbereich bleibt der Reibungsbeiwert fast unverändert. Bei größeren Geschwindigkeiten hat die Kompressibilität des Gases einen immer stärker werdenden Einfluss auf den Reibungskoeffizienten und erhöht den c_W-Wert stark ansteigend. In diesem Bereich wird der c_W-Wert über der Mach-Zahl als Vergleichszahl aufgetragen (im Diagramm nicht abgebildet).