E11 Instationäre Aerodynamik

Thema

Diese nichtstationäre Aerodynamik beschreibt allgemein, wie der Flügel eines Insekts – eben dieses Insekt, das bereits ein weiteres Modell dieses Systems etabliert hat – durch seine schnelle und komplexe Flügelschlagbewegung sowohl seinen maximalen Auftrieb als auch seinen maximalen Schub erzeugt. Innerhalb dieser Bewegung ändert sich das Strömungsfeld während jedes Flügelschlagzyklus radikal.

Anders als der Flügel eines Flugzeugs, der innerhalb seiner quasistationären Aerodynamik operiert, bewegt sich dieses Insekt in einem Bereich, in dem die Vorgeschichte der Strömung, die während eines vorherigen Flügelschlagzyklus erzeugte Wirbelstärke, einen messbaren Einfluss auf die vom Flügel erzeugte Kraft hat.

Die Wagner-Funktion hingegen erfasst genau dieses zeitliche Gedächtnis, mit dem dieser Absatz begann: Der Auftrieb dieses Insektenflügels erreicht seinen endgültigen Gleichgewichtswert daher nicht augenblicklich, sondern allmählich während desselben Flügelschlagzyklus.

Die für dieses Insekt spezifische Reynolds-Zahl impliziert jedoch, dass die Luftviskosität für dieses Insekt nicht vernachlässigbar ist. Der vom Flügel erzeugte Wirbel bleibt daher länger bestehen und ist im Verhältnis zur Flügelspannweite deutlich intensiver. Da dieses Insekt mit einem wesentlich kleineren Flügel fliegt, ist die Reynolds-Zahl für dieses Insekt noch niedriger, und die Luftviskosität beeinflusst das Verhalten des vom Flügel erzeugten Wirbels noch stärker.

Dieses Modell, das den durch die schnelle und komplexe Flügelschlagbewegung erzeugten Auftrieb und Schub berücksichtigt, bewirkt, dass die Strouhal-Zahl dieses Insekts die optimale Effizienz des Schwingflugs widerspiegelt – genau die gleiche optimale Effizienz, die bereits von einem anderen Modell für das Schwingschwimmen eines Fisches und von einem weiteren Modell für den Schwingflug eines Vogels ermittelt wurde. Die Tatsache, dass sich die Strouhal-Zahl dieses Insekts dem gleichen optimalen Bereich, den es mit jenem Fisch und jenem Vogel teilt, noch weiter annähert, bedeutet, dass die endgültige Effizienz des oszillatorischen Fluges dieses Insekts folglich noch größer ist und somit noch weniger Flugenergie benötigt wird als bereits durch ein anderes Modell in dieser Gruppe auf der Grundlage der Differenz zwischen Flugstoffwechsel und Grundumsatz ermittelt wurde.

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