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Aerodynamik

Aerodynamik (von altgriechisch ἀήρ, Luft und δύναµις, Kraft) ist Teil der Fluiddynamik und beschreibt das Verhalten von Körpern in kompressiblen Fluiden (zum Beispiel Luft). Die Aerodynamik beschreibt die Kräfte, die es beispielsweise Flugzeugen ermöglichen zu fliegen oder Segelschiffen, sich mit Hilfe des Windes durchs Wasser zu bewegen. Viele weitere Bereiche der Technik, wie zum Beispiel das Bauingenieurwesen oder der Fahrzeugbau, müssen sich mit der Aerodynamik auseinandersetzen.

Inhaltsverzeichnis

Spezialgebiete

Die Aerodynamik ist ein Untergebiet der Strömungslehre (auch Fluiddynamik) und enthält mehrere Spezialbereiche, die sich auf verschiedene Schwerpunkte spezialisiert haben:

Theoretische Modelle

Das umfassendste Modell sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Es handelt sich hierbei um ein System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung, die ein newtonsches Fluid komplett beschreiben. Insbesondere sind auch Turbulenz und die hydrodynamische Grenzschicht enthalten.

Ein einfacheres Modell sind die Euler-Gleichungen, die aufgrund der vernachlässigten Reibung die Grenzschicht nicht abbilden und auch keine Turbulenz enthalten, womit beispielsweise Strömungsabriss nicht über dieses Modell simuliert werden kann. Dafür sind wesentlich gröbere Gitter geeignet um die Gleichungen sinnvoll zu lösen. Für diejenigen Teile der Strömung, in denen die Grenzschicht keine wesentliche Rolle spielt, sind die Euler-Gleichungen sehr gut geeignet.

Die Potentialgleichungen schließlich sind vor allem nützlich, wenn schnell grobe Vorhersagen gemacht werden sollen. Bei ihnen wird die Entropie als konstant vorausgesetzt, was bedeutet dass keine starken Schockwellen auftreten können, da an diese die Entropie sogar unstetig ist. Weitere Vereinfachung über konstante Dichte führt dann zur Laplace-Gleichung.

Anwendung

Heutzutage findet die aerodynamische Auslegung von Flug- und Fahrzeugen überwiegend am Computer statt. Von großer Bedeutung ist die numerische Strömungssimulation (CFD), bei der durch computergestützte Verfahren mit entsprechendem Rechenaufwand gute Näherungen für reale Strömungsvorgänge erzielt werden können.

Für viele Anwendungen sind aufgrund der enormen Komplexität der auftretenden Phänomene auch heute noch experimentelle Messungen in Windkanälen oder an Testkörpern notwendig, um die Auslegung zu verifizieren oder Risiken in der Entwicklung auszuschließen.