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Themengebiet: Aeroakustik
Thema: Wechselwirkung von Luftwirbeln mit Tragflügelprofilen

Die Bildsequenz zeigt eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme der Luftströmung in einem Windkanal. Durch Interferenzstreifen sind die Dichteunterschiede der Luft sichtbar gemacht. In der unteren Bildhälfte zieht ein kreisförmiger Luftwirbel von links nach rechts durchs Bild. In Bildmitte trifft er auf ein Tragflügelprofil. Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt etwa 0,9 Mach (ca. 300 m/s). Der Bildausschnitt hat im Original eine Breite von etwa 30 cm. Die gesamte Bildsequenz dauert im Original etwa 1 Millisekunde.

Was man nicht sieht: Links vom Bild werden die Luftwirbel im Nachlauf eines Quaders erzeugt. Durch Verengung der Höhe des Windkanals wird diese Wirbelschleppe gestreckt. Dadurch werden die Wirbel vereinzelt. Die Ablösung der einzelnen Wirbel über die gesamte Kanaltiefe wird durch eine akustische Resonanz induziert. Dadurch liegen ebene Strömungsbedingungen vor. In diesem Aufbau befindet sich die Wirbelschleppe etwas unterhalb des Flügels. Der Wirbel dreht sich daher im Uhrzeigersinn, d.h. er dreht sich auf den Flügel zu und erhöht die Anströmgeschwindigkeit am Profil.

Was man erkennt: Der Staupunkt an der Flügelspitze wird durch den Wirbel auf die Oberseite des Profils verschoben. Sobald der Wirbel durch den Flügel abgeschirmt ist, entspannt der Staudruck wieder zur Flügelspitze. Dabei wandert ein Druckgebiet entgegen der Strömungsrichtung oben links aus dem Bild. Es entsteht der Eindruck, als werde ein Teil des Wirbels am Flügelprofil reflektiert. Tatsächlich wird der stationäre Druckgradient der Wirbelströmung bei diesem Vorgang teilweise in ein instationäres Schallgebiet umgewandelt. Dadurch hört man den Fluglärm, auch wenn man sich gar nicht in der Wirbelschleppe eines Flugobjekts aufhält. Außerdem wird bei der schallnahen Strömungsgeschwindigkeit durch den Wirbel unter dem Flügel ein Überschallgebiet induziert, welches unstetig mit einem Druckstoß abschließt. Sobald sich der Wirbel entfernt, wandert dieser Stoß zur Flügelspitze und breitet sich ebenfalls entgegen der Strömungsrichtung ringförmig aus.

Was man damit macht: Luftwirbel verursachen Fluglärm, wenn sie auf die Oberflächen der Flugobjekte treffen. Moderne Flugzeuge und Hubschrauber verwenden daher ein besonderes Design an den Flügelspitzen, um den Blattspitzenwirbel von der Flugzeugoberfläche – bzw. dem nachlaufenden Rotor – weg zu lenken.

Meine Veröffentlichungen dazu: Zur Aeroakustik der Wechselwirkung von Wirbeln mit transsonisch umströmten Körpern Diplomarbeit Georg-August-Universität, Göttingen (1987) und Bericht 3/1988, MPI für Strömungsforschung Sound generation and flow interaction of vortices with an airfoil and a flat plate in transonic flow Fluid Dynamics Research 3, 344-348 (1987) mit Meier, G.E.A.; Lent, H.-M. Schallentstehung durch Wirbel-Profil-Wechselwirkung: Zwei Mechanismen für hohe Unterschall-Machzahlen Fortschritte in der Akustik DAGA ’88, 173-176 (1988) mit Bartels, H.H.; Lent, H.-M.; Meier, G.E.A. Some processes of sound generation in a vortex-airfoil system with parallel axes Journal d’Acoustique 12, 23-26 (1989) mit Lent, H.-M.; Meier, G.E.A.; Schievelbusch, U.