Aerodynamik der stumpfen Körper

Die Differenzierung der Aerodynamik in eine solche für schlanke und eine andere für stumpfe Körper erscheint auf den ersten Blick willkürlich zu sein. Und tatsächlich ist es nicht einfach, beide Gebiete genau gegeneinander abzugrenzen. Aber beim Vergleich der Extreme treten die Unterschiede klar hervor.

Die klassische Aerodynamik befasst sich vorwiegend mit der Umströmung von Körpern, die zergliederbar sind. So lässt sich z. B. ein Flugzeug in seine wesentlichen Komponenten wie Tragflügel, Leitwerk, Rumpf und Triebwerke aufteilen. Die Aerodynamik jeder dieser Komponenten kann zunächst für sich allein behandelt werden. Die Wechselwirkungen untereinander sind vergleichsweise schwach; sie werden in Folgeschritten berücksichtigt.

Die Phänomene, die bei der Umströmung eines Körpers auftreten, die damit verbundenen Kräfte und Momente sowie die Wirkung des Körpers auf seine Umgebung sind für seine ingenieurmäßige Auslegung zu quantifizieren. Lange Zeit war man dabei selbst bei geometrisch einfachen Konfigurationen allein auf das Experiment angewiesen. Heute werden dafür zunehmend Methoden der numerischen Strömungsmechanik herangezogen; deren Resultate können das Experiment zwar noch nicht ersetzen, aber doch führen und ergänzen.

Bei der Umströmung stumpfer Körper, so lässt sich das bisher Dargestellte zusammenfassen, treten drei Eigenarten hervor:

Die in der Praxis vorkommenden stumpfen Körper, nämlich Fahrzeuge und Bauwerke, sind ständig dem Wind ausgesetzt. Gleichwohl ist die Rolle, die der Wind für beide spielt, ganz unterschiedlich. Die Umströmung der Fahrzeuge kommt im Wesentlichen durch ihre eigene Vorwärtsbewegung zustande. Der Wind hat für sie den Charakter einer Störgröße, und meist ist diese klein. Nicht selten jedoch sind Fahrzeuge auch bei starkem Sturm unterwegs. Dann kommt die Windgeschwindigkeit in die gleiche Größenordnung wie ihre Fahrgeschwindigkeit, und ihr Strömungsfeld wird vollkommen verändert. Die resultierenden Kräfte und Momente können dann so groß werden, dass ihre Sicherheit beeinträchtigt wird.

Aus der Sicht des Aerodynamikers sind Automobile stumpfe Körper, die sich bei sehr kleinem Bodenabstand bewegen. Ihre äußere Geometrie ist komplex; teilweise offene Hohlräume, rotierende Räder und durchströmte Kanäle kommen erschwerend hinzu. Die Strömung um das Fahrzeug ist vollständig dreidimensional, und die Grenzschichten sind turbulent. Typisch sind zahlreiche Ablösungen; teilweise kommt es zu einem Wiederanlegen der abgelösten Strömung. Am Heck bildet sich ein Totwasser, dem ein Nachlauf folgt; bei Pkw können kräftige Längswirbel hinzutreten und mit beiden interferieren.

Bei der Bahn wurde die Aerodynamik – wenn überhaupt – lange Zeit ausschließlich dafür eingesetzt, um den Luftwiderstand zu reduzieren. Der Wunsch nach höherer Fahrgeschwindigkeit war das Motiv dafür, wie auch beim Auto.

Orientiert sich die aerodynamische Auslegung von Flugzeugen, Autos und Bahnen an den Arbeitsbereichen dieser „Maschinen“, also am Regelfall, so die der Bauwerke an der Ausnahme: Bauten werden für eine maximale Windgeschwindigkeit dimensioniert, die einmal in 50 Jahren zu erwarten ist; im zeitlichen Mittel werden sie durch den natürlichen Wind nur schwach belastet. Jedoch, die hohen Schadenssummen, die von den Versicherern jährlich zu regulieren sind, lassen vermuten, dass die Wirkung des Windes noch nicht in allen Einzelheiten verstanden – oder genügend beachtet – wird.

Das wichtigste Gerät zur Simulation der Umströmung stumpfer Körper ist der Windkanal. Mitunter wird jedoch mit ihnen auch in Wasser experimentiert und zwar sowohl im Schlepptank als auch im Umlaufkanal. In der Automobilaerodynamik sind zudem Seitenwindstrecken im Gebrauch. Ursprünglich wurden diese nur bei Fahrversuchen mit dem Original eingesetzt. Vereinzelt sind aber auch Anlagen für Experimente an verkleinerten Modellen im Betrieb, teilweise in Verbindung mit einem Windkanal; auch für Modelle von Bahnen werden derartige Versuchsstrecken verwendet.

Der bewährten Methode, strömungsmechanische Aufgabenstellungen experimentell anzugehen, haften einige gravierende Mängel an. Sie sind zunächst einmal kaufmännischer Natur: Die Versuchsanlagen werden immer aufwändiger und binden viel Kapital. Vorbereitung und Durchführung der Versuche beanspruchen Zeit und Geld; beide „Güter“ sind gleichermaßen knapp bemessen, besonders während eines Entwicklungsvorhabens. Werden Modellversuche ausgeführt, so müssen Einschränkungen bezüglich der Physik in Kauf genommen werden: Jede Simulation bedeutet zwangsläufig eine Abweichung von der Realität; Ähnlichkeitsgesetze und Randbedingungen lassen sich selten exakt erfüllen. Wie sich das auf das Ergebnis auswirkt, ist oft schwer abzuschätzen. Schließlich ist das Experimentieren mit Risiken behaftet: Das Optimieren erfolgt nach dem Prinzip von „trial and error“. Da dafür in der Regel viel zu wenig Detailinformationen zur Verfügung stehen, bleibt der Experimentator auf Erfahrung und Intuition angewiesen. Er kann aber nie sicher sein, dass er nicht auf einem Nebenoptimum „hängen“ bleibt.