Flugmodellbau
  Turbulatoren
 

Turbulatoren

 
Die Sache mit den unterschiedlichen Strömungs-Turbulenzen war noch in den 30iger Jahren des vergangenene Jahrhunderts völlig unbekannt. Nur die Golfspieler wunderten sich, dass neue unbeschädigte Golfbälle schlecher flogen als vollständig zerkratze Bälle. Hierdurch war ein genauer, exakter Schlag nicht möglich, da der Golfspieler die erforderliche Schlagintensität zu dem gerade vor ihm liegenden Ball überhaupt nicht abschätzen konnte.
Erst die Versuche von Prof. L. Prandtl, brachte über dieses Phänomen Klarheit. Er untersuchte kugelförmige Körper und stellte fest, dass bei Anbringung einer Stolperkante vor der Körpermitte der Widerstand auf 1/6 des
ursprünglichen Wertes sank und im Rauchkanal konnte festgestellt werden, dass die ursprünglich sehr starken Verwirbelungen hinter dem Körper wesentlich reduziert wurden und auch die Strömung wesentlich länger an dem Körper haften blieb, was dann zu der Reduzierung des Widerstandes führte. Golfbälle erhalten heute eine strukturierte Oberfläche, die eine künstliche Vollturbulenz erzeugen.
Auch mit Profilen hat Prof. L. Prandtl die gleichen  Versuche, mit künstlichen Turbulatoren, durchgeführt, welche die gleichen Ergebnisse, wie die Versuche mit den Rundkörpern zeigten. Der Widerstand verringerte sich und gleichzeitig konnte der Auftrieb erhöht werden, da die Strömung länger am Profil haften blieb, ohne große Abrissblasen entstehen zu lassen. Des weiteren zeigte sich bei den Versuchen, dass der Anstellwinkel der Profile wesentlich erhöht werden kann, ohne dass die Strömung abreißt, was ebenfalls einen höheren Auftrieb mit sich bringt. Auch können kleinere Flächentiefen angewendet werden, ohne Strömungsabriss zu befürchten.
In dem Buch: "Aerodynamik des Flugmodells" von F. W. Schmitz sind diese Versuche zur Erzeugung einer künstlichen Vollturbulenz sehr ausführlich beschrieben. Da zu der damaligen Zeit die Flugmodelle, wie auch die manntragenden Segelflugzeuge in Holzbauweise hergestellt wurden, waren Laminarprofile noch kein Thema, da die hierzu erforderliche Baugenauigkeit bei dieser Bauweise nicht gegeben ist. Jedoch hat Prof. L. Prandtl die unterschiedlichen Strömungsarten, wie laminar, turbulent und künstlich vollturbulent in seinen Untersuchungen klar definiert.

Den idealsten Turbulator besitzt der Uhu, der Bubo Bubo. Nur durch diesen Turbulator kann der Uhu diesen hohen Auftrieb an seinen extrem hoch gewölbten Flügeln erzeugen, ohne dass beim Langsamflug, bei starker Anstellung, die Strömung abreißt. Insbesondere an den äußeren Schwingen sind diese Turbulatoren, an der vorderen Federseite sehr stark ausgeprägt und bedingen auch den absolut lautlosen Flug des Uhu´s wodurch seine Beute nicht durch irgendwelche Fluggeräusche in der ruhigen Nacht auf diesen Räuber aufmerksam wird. Auch die Vorderkante der vordersten Feder an der übrigen Schwinge haben diese Turbulatoren  um die Strömung zu verbessern und um den vollturbulenten Strömungszustand zu erhalten. Hierbei sind die vorhandenen Turbulatoren sehr fein gegliedert, wodurch extrem kleine Wirbel entstehen. Leider sieht man sehr selten Uhu´s im Fluge. Meist sind die Vögel ausgestopft in Museen nur in Sitzstellung zu sehen, was auch für Abbildungen auf Fotos gilt, so dass die Tragflächenturbulatoren nicht zu erkennen sind. Ich hatte das Glück in einem Museum einen ausgestopften Uhu in Flugstellung fotographieren und Detaillaufnahmen der Turbulatoren machen zu können.



Bild 1: Der Turbulator an der Vorderseite des Uhu-Flügels. 



Bild 2: Im Freiflug bereits angewandter "Eulenturbulator", als kläglicher Versuch der Nachbildung der sehr fein gegliederten Federvorderkante am UHU-Flügel. Er besteht aus eingesteckten 0,7 mm Nylonfäden, die in die Nasenvorderkante, nach dem Vorstechen, eingesteckt und mit Hartkleber befestigt sind.

Die Frage, ob ein Turbulator auf den Tragflächen erforderlich ist, kann nicht so einfach beantwortet werden, da hier eine große Anzahl von Fakten zusammentreffen.

Hierbei kommt es zuerst auf das vorhandene Profil an. Ein modernes Laminarprofil verträgt keinen Turbulator, da ein solches Profil exakt in der Laminardelle geflogen wird um den Effekt des minimalen Widerstandes entsprechend ausnutzen zu können.

Hierzu erlaube ich mir eine bereits einige Jahre zurückliegende Begebenheit zu erwähnen. Hier ist ein F3J-Pilot auf mich zugekommen, dass ein Modell, nach Einbau einer wesentlich leichteren Fernsteueranlage nicht mehr so gut fliegen würde, obwohl die Anlage 150 Gramm leichter sei, als die ursprüngliche Anlage und das Modell somit eigentlich besser fliegen müsste. Da es sich dabei um ein speziell auf dieses Modell abgestimmtes Laminarprofil handelte, erklärte ich ihm, dass er jetzt, bedingt durch den erforderlichen geringeren Auftrieb und somit kleinerer EWD, außerhalb der Laminardelle fliegen würde und bat ihn das fehlende Gewicht wieder als Ballast zu ersetzen. Was er anschließend auch tat und das Modell flog wieder so gut wie gewohnt. Somit ist ein solches Profil, auch nach Einbau eines Turbulators, kein Laminarprofil mehr, da die gewollte und gewünschte Laminarstrecke künstlich turbulent wird und die Flugleistung sich in jedem Falle verschlechtert. Ein Laminarprofil muss immer entsprechend schnell geflogen werden, da auch hier bei geringen Flächentiefen in Verbindung mit kleiner Geschwindigkeit ein Strömungsabriss erfolgen kann, der im Regelfall für das Modell gefährlicher als bei einem Turbulenzprofil ist, da sich die Strömung hier schlechter wieder anlegt.

Ich selbst verwende für meine Modelle in Holzbauweise ausschließlich Turbulenzprofile, da ich die für Laminarprofile erforderliche Baugenauigkeit mit meiner Bauweise nie erreichen kann. Eine kleine, noch so geringe Delle und schon ist die Laminarströmung umgeschlagen und der gesamte Effekt des geringeren Widerstandes ist nicht mehr vorhanden. Ferner ist anzumerken, dass ein Laminarprofil außerhalb der Laminardelle einen höheren Widerstand hat, als ein vergleichbares Turbulenzprofil. Aber auch bei Turbulenzprofilen kann es sehr häufig zu Strömungsabrissen kommen, insbesondere wenn sehr leichte Modelle gebaut werden, mit geringen Flächentiefen, wodurch die Re-Zahl hierdurch zu gering ist und die kritische Re-Zahl, des jeweiligen Profiles, unterschritten wird. Insbesondere ist dies früher immer wieder bei dem Graupner-Modell „Amigo“, mit Folienbespannung, vorgekommen, dass beim Kreisen an der, in der Innenkurve liegenden Fläche, die Strömung abgerissen und das Modell über diese Fläche nach unten abgeschmiert ist. Hier ist dann in jedem Falle ein Turbulator angezeigt, wodurch das Abreißen der Strömung vermieden wird.

Auf meinen A1- und A2-Modellen hatte ich immer 3D-Turbulatoren aus Balsaholz, auch an den Höhenleitwerken angebracht und hatte in meiner gesamten Wettbewerbs-Freiflugzeit noch nie einen Strömungsabriss, obwohl ich immer Modelle mit extrem hoher Streckung baute und flog, die teilweise am Rand gerade einmal 6 cm Flächentiefe aufwiesen. Auch wenn ein Modell kritische Flugeigenschaften aufweist, kann ein Turbulator in vielen Fällen Abhilfe schaffen. 

 

Die Turbulatoren können sehr unterschiedlich sein. Hierbei gibt es die folgenden Möglichkeiten, wobei die Aufzählung nicht vollständig sein kann, da es noch viele Möglichkeiten gibt, die Profilströmung turbulent zu machen:


1. Vorgespannter Faden vor dem Profil, wobei der Faden ein normaler Faden, ein Gummi, ob umsponnen oder ohne Gewebeumhüllung oder aber ein fester Draht oder ein dünnes Röhrchen oder Ähnliches sein kann. Ein Faden oder Gummi muss hierbei in kürzeren Abständen befestigt werden um allzu große Schwingungen, bei der Umströmung, zu vermeiden. Dieser Turbulator wird etwa 0,08 bis 0,1 t vor der Profilnase eingebaut.



Bild 3:  Vorgespannter Draht als Turbulator

2. Stolperleiste, wobei ein 1 x 1 mm Balsaleiste, auf das Profil aufgeklebt, der Regelfall ist. Bei größeren Modellen können auch stärkere Stolperleisten, bis etwa 1,5 x 1,5 mm, eingesetzt werden. Die Stolperleiste soll 0,03 bis 0,05 t hinter der Nase eingebaut werden.



Bild 4: Stolperleiste im Nasenbereich


3. Ich selbst verwende vorwiegend die sog. 3-D Turbulatoren aus Balsaholz. Diese sind teilweise eine Abwandlung des Hama-Turbulators, der im Original eine Dicke von  0,3 bis 0,5 mm und an den Dreiecken einen Winkel von 90 Grad aufweist und in einer Entfernung von Vorderkante bis  Spitzen, von 0,03 t, eingebaut wird. Die Abwandlungen haben auch Winkel von 60 oder 45 Grad. Hier kann die Stärke variieren und auch die Hinterkante kann offen oder versenkt sein. Analoge Turbulatoren sind die Kunststoff-Zackenbänder, wobei diese auch schon mal, im Freiflugbereich, bei 0,5 t eingebaut werden.



Bild 5: 3 D Turbulator mit offener Hinterkante

4. Turbulatoren können auch durch künstliche Rauigkeit am oberen, vorderen Profilbereich erzeugt werden, wobei die Rauigkeit durch Einstreuen von kleinen Körnern in die Oberfläche erfolgen kann. Diese Möglichkeit habe ich bei „Der kleine UHU“ erläutert. Papier- oder Vliesbespannungen weisen von Natur aus eine entsprechende Rauigkeit auf.

5. Auch ein Glaspapierstreifen von 5 bis 10 mm Breite in der Körnung von 80 oder 100 im oberen Nasenbereich aufgeklebt, ist ein Turbulator.



Bild 6: aufgeklebter Glaspapierstreifen

6. In den 60iger und 70iger Jahren fand man auch im Freiflugbereich oft Stiftturbulatoren. Hierbei wurde mit einem Schneider-Zahnrädchen auf dem vorderen Bereich der Fläche Löcher markiert, die dann nachgestochen wurden und kleine, aus  etwas dickerem Nylonfäden geschnittene Stifte eingeklebt wurden, die dann etwa 3 mm über die Flächenoberfläche hinaus ragten.



Bild 7: Stifteturbulator aus Perlonfäden. Die Perlonfäden sind lediglich als Schatten auf der Profiloberfläche zu sehen

7. Auch Turbulatoren aus selbstklebendem Klettband sind möglich und erfüllen ihren Zweck, wobei das Klettband in der Breite auch durchgeschnitten werden kann. Hierbei ist nur der Teil mit den festen Krallen zu verwenden.

8. Versuche mit an dem Vorderbereich aufgeklebten Samtstreifen waren erfolgreich und wirkten ähnlich dem Turbulator am Eulenflügel. Hierzu ist zuerst der Samt durch Einstreichen der Unterseite mit einem Dispersionsleim in der Struktur zu stabilisieren, bevor schmale Streifen geschnitten werden können. 

9. Auch eine spitze Nase kann als Turbulator wirken und sehr effektiv sein. Dies stellt sich jedoch erst beim Fliegen heraus. Diese spitze Nase neigt jedoch bei hohen Anstellwinkeln, wie beim Landeanflug, zu Strömungsabrissen und eine spitze Nase ist meist irreversibel oder nur mit sehr großen Mühen und Aufwand durch eine neue Nase zu ändern.


10. Im Freiflugbereich werden des Öfteren Turbulatoren als kleine Dellen im oberen Nasenbereich der Profile verwendet. Hier wird vom normalen Profilverlauf ausgehend, eine Vertiefung um etwa 0,5 % eingebaut, die bis etwa 5 % der Flächentiefe reicht. Hierdurch wird der Nasenradius verringert und die Umströmung wird hierdurch verwirbelt. 



Bild 8: Turbulator als kleine Delle im Nasenbereich eines normalen Profiles

11. Sehr effektiv sollen Ausblaseturbulatoren sein, die jedoch meines Wissens bisher nur bei größeren Segelflugzeugen angewendet wurden. Hierbei wird durch viele kleine Löcher im Bereich der Nase Luft ausgeblasen.

12. Versuche mit kleine, an den Tragflächenenden eingebauten Windrädern aus dünner Alufolie wurden ebenfalls erprobt, wie erfolgreich diese waren, entzieht sich meiner Kenntnis. Hierbei wurden wenige cm große Propeller, die eine geringe Unwucht hatten, auf dem Flächenende eingebaut, wodurch sich Vibrationen auf die Fläche übertragen und diese in Schwingungen versetzen. Auch der entstehende Schall soll für einer vollturbulente Strömung sorgen. Das Maß der Unwucht ist die Vibrationsstärke und muss entsprechend ausprobiert werden. Ein weiterer Vorteile des Propellers ist der größere Widerstand bei höheren Anströmgeschwindigkeiten. So kann ein Modell, beim Pumpen, durch den erhöhten Widerstand beim Abwärtsflug in die von Konstrukteur gewünschte Kurve eingebremst werden. Der Propeller muss natürlich in der Kurveninnenseite angebracht sein. 

13. In die gleiche Richtung gehen auch in der Tragfläche eingebaute Lautsprecher. Hierbei sind in der Tragfläche die Rippen mit einem Loch versehen, so dass der Schall sich innerhalb der Fläche ungehindert ausbreiten kann. Die entstehenden Vibrationen der Oberfläche sollen eine vollturbulente Strömung hervorrufen, wobei die Frequenz und die Intensität noch einstellbar ist. Auch die im Freiflug-Wettbewerbsbetrieb eingesetzten Summer, welche das Auffinden der Modelle erleichtern sollten, wurden als Turbulatoren verwendet, wobei diese in den Wurzelbereich der Flächen eingebaut wurden und die Löcher in den Rippen den Schall der Summer in den Flächen verteilte und so für Schwingungen der Oberfläche sorgten. Somit waren mit dieser Lösung 2 Fliegen mit einer Klappe geschlagen, das Auffinden der Modelle war erleichtert und gleichzeitig sollten die Summer für eine turbulente Strömung 
sorgen.

14. Eine weitere Möglichkeit ist ein Stufenturbulator aus Klebefilm, wobei der erste aufzuklebende Film, mit der Hinterkante, etwa in 10% der Tiefe angebracht wird. Der 2. Klebefilm wird nun auf den zuvor angebrachten Film aufgeklebt, so dass deren Hinterkante bei 6% der Tiefe ist. Somit liegen die beiden Kanten hinter dem aufgeklebten Film. Denkbar ist auch der umgekehrte Fall, bei dem die Kanten vorne zu liegen kommen.


Bild 9: 3 D-Turbulator an einem kleinen Motorsegler. Der Turbulator ist hinten versenkt und somit mit dem Profil eben

 

Viele Turbulatoren sind von der Lage und Größe nicht genau definiert und es ist in jedem Falle die Lage und die Größe auszuprobieren, da dies je nach Profil und Flächentiefe unterschiedlich ist.

 

Zur Untersuchung, ob ein Turbulator für ein Modell angezeigt ist, gibt es eine sehr einfache Methode, die ich bereits des Öfteren angewendet habe:

Für diese Versuche bitte keine fertigen Zackenbänder verwenden, da diese eine extrem hohe Klebekraft aufweisen und bei Misslingen der Versuche nur sehr schwer, wenn überhaupt, noch zu entfernen sind.

Ich reibe hierfür zuerst ein DIN A4-Blatt mit einer Mischung aus 50 % Motorenöl und 50 % Terpentin so weit ein, dass das Blatt gerade durchsichtig ist. Überschüssiges Material wird sofort mit einem Küchenpapier aufgesaugt und gut abgerieben. Nach einigen Stunden Trockenzeit, bei dem das restliche Terpentin verdunsten kann, wird darauf ein Malerkrepp mit 30 mm Breite geklebt und mittels einer Schneider-Zackenschere in der Mitte getrennt. Der Malerkrepp lässt sich nun sehr leicht wieder von dem DIN A 4-Blatt abziehen und auf die Modellflächen, mit den Zacken nach vorne, kleben, ohne eine allzu große Klebekraft zu entwickeln. Die Dicke des Turbulators variiere ich mit den Lagen aus Krepppapier, so klebe ich meist 2 oder 3 Lagen aufeinander, bevor ich diese mit der Zackenschere teile.

Bei dem Modell, welches zur Überprüfung ansteht, ob ein Turbulator erforderlich ist, wird zuerst das Ruder auf vollständig geraden Flug einjustiert. Dann wird nur eine Flächenhälfte mit dem Turbulator aus Malerkrepp beklebt, wobei die Vorderkante der Spitzen bei etwa 5,0 % der Flächentiefe liegen soll. Es gibt auch Modellflieger in der F1-Klasse, die diese Turbulatoren bei 50% Flächentiefe anordnen. Fliegt nun das Modell eine Kurve nach der anderen Seite als der Turbulator aufgebracht ist, so ist dies ein Zeichen, dass der Auftrieb durch den Turbulator größer geworden ist. Nun kann der Turbulator in der Lage und in der Stärke verändert werden, bis ein Optimum an Auftrieb erreicht ist. Dies ist daran zu erkennen, dass die Kurventendenz stärker oder schwächer wird. Nun kann ein entsprechender Turbulator an beiden Flächenhälften des Modelles fest aufgeklebt werden.

Sollte jedoch keine Kurventendenz festzustellen sein, so ist der Turbulator nutzlos und es kann ohne Turbulator, wie bisher, weiter geflogen werden.

Wenn jedoch das Modell in die Richtung in welcher der Turbulator auf der Fläche aufgeklebt ist, tendiert, so ist dies ein Zeichen dafür, dass der Turbulator die Umströmung stört, nur Widerstand erzeugt und dann ist in Zukunft immer darauf zu achten, dass die Tragfläche absolut sauber bleibt und alle anhaftenden Fremdkörper wegpoliert werden, um Störungen der Strömung zu vermeiden.

 

Diese Überprüfung kann jedoch nur an einem fertigen Modell gemacht werden, wenn alle Fakten wie Baugenauigkeit der Profilierung; Fluggeschwindigkeit, Oberflächenrauigkeit, usw. festliegen. Im Voraus sind hierzu nur Aussagen zu machen, wenn Erfahrungen für baugleiche oder fast baugleiche Modell bereits vorliegen und weitere Modelle analog gebaut werden. So kann es aber vorkommen, dass ein gleiches Modell, mit etwas schwererem Material gebaut, infolge der höheren Fluggeschwindigkeit keinen Turbulator mehr braucht. Das Gleiche gilt, wenn die Oberfläche des einen Modelles bei staubfreiem Raum und die Oberfläche eines anderen Modelles in einem vollständig verstaubten Raum hergestellt wurde und letzteres bereits in der Oberflächenstruktur einen Turbulator besitzt. Dies kommt häufig bei Gruppen vor, wenn gestrichen wird, während andere Gruppenmitglieder ihr Modell verschleifen. Aber auch das Schleifen der Nasenleiste hat großen Einfluss. So kann eine etwas spitzere, nicht genau nach Profil geschliffene Nasenleiste, eine größere Turbulenz bringen, dann aber auch bei größerer Anstellung der Fläche ein schnelleres Abreißen der Strömung bewirken, was von Profil zu Profil unterschiedlich ist.

 

Sollte bei einem Versuch festgestellt werden, dass kein Turbulator erforderlich ist und trotzdem ein Turbulator angebracht wird, so erhöht dieser den Widerstand und somit sinkt die Flugleistung des Modelles.

 

Eine weitere Möglichkeit ist, in eine Fläche gleich einen Turbulator einzubauen. Dies habe ich in der Abhandlung „Der kleine UHU“ beschrieben und hierbei die Möglichkeit aufgezeigt die Fläche unten mit dem Papier mit der glatten Seite außen und oben mit der rauhen Seite nach außen zu bespannen. Dies sollte jedoch nur bei entsprechend kleinen Modellen angewendet werden, die eine solch unterschiedliche Bespannung auch vertragen und die Anwendung bereits bekannt ist. Auch bei meinen A1- und A2-Modellen habe ich dies nicht angewendet und auf einen 3D-Turbulator zurückgegriffen. Bei größeren Modellen rate ich in jedem Falle hiervon ab, da dies etwas ist, das bei Nichtfunktion aufwendig durch Neubespannung wieder geändert werden muss.

Auch von der Möglichkeit die untere Flächenseite mit einem anderen Material als die Oberseite, aus den vorgenannten Gründen, unten glatt oben rauh, zu bespannen rate ich dringend ab, da unterschiedliche Bespannmaterialien zu unterschiedlichen Belastungen der Flügelstruktur führen und somit Verzüge vorprogrammiert sind. Auch ist die Wirkung der Maßnahme im Voraus nicht zu bewerten und sollte sie danebengehen, ist auch hier eine Neubespannung erforderlich.

Auch den bekannten Wellenflug von Entenmodellen konnte ich bei mehreren Modellen eliminieren, indem ich auf die Vorderkante der Kopfflügel Turbulatoren aufklebte. Hier vermutete ich, dass der Kopfflügel gerade im Bereich der kritischen Re-Zahl flog, also einmal Über- und dann Unterkritisch, was durch den Turbulator behoben werden konnte. Damit war auch der energiezehrende Wellenflug beseitigt und das Modell hatte insgesamt eine höhere Flugleistung.

Auch bei Flugmodellen, bei welchen in der Innenkurve die Strömung leicht abreißt, kann ein Turbulator, auf das Flächenohr geklebt, Abhilfe schaffen. Es muss jedoch nicht unbedingt sein und kann auch andere Ursachen haben.

Bei Laminarprofilen kann ebenfalls ein Turbulator angezeigt sein um kritische Strömungsabrisse zu verhindern. Hierbei muss jedoch der Turbulator kurz vor dem Umschlagpunkt von laminarer in turbulente Strömung angebracht werden, das ist im Regelfall bei 60 bis 70 % der Flächentiefe, um die Abrissblase zu verhindern. Bei diesen Profilen ist dann auch ein Turbulator auf der Unterseite möglich, der etwa in der gleichen Flächentiefe angebracht wird. Bei diesen Profilen ist eine exakt festgelegter Punkt der Flächentiefe einzuhalten, da ansonsten die laminare Laufstrecke entweder zu kurz wird oder der kritische Punkt des Strömungsabrisses bereits überschritten ist.

Zum Schluss noch ein Hinweis: Auch aufgeklebte Zierstreifen auf den Flächen wirken als Turbulatoren. Dann nutzt natürlich das beste Laminarprofil und die exakteste Verarbeitung nichts, wenn die laminare Laufstrecke durch einen aufgeklebten Zierstreifen gestört wird. In einem solchen Fall kann es sogar möglich sein, dass das Profil so schlecht wird, dass ein zusätzlicher Turbulator wieder eine kleine Verbesserung bringt. Es ist vollständig Kontraproduktiv, wenn die durch den Konstrukteur genau auf das Modell berechnete Profilform und die absolut exakte Herstellung der Flächen in einer auf den Bruchteil eines Millimeters hergestellte Negativform, durch das Aufkleben eines Zierstreifens, "ad absurdum" geführt wird. 
Dann hat der Modellflieger wohl ein "schönes" Modell, das aber nicht an die Leistung des Originales herankommen wird.



 
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