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Kontrolle von Längswirbeln
Längswirbel treten in vielen Anwendungen der Gebäude- und Fahrzeugaerodynamik auf. Diese Wirbel entwickeln sich beispielsweise an der C-Säule eines PKW-Stufenhecks und können bis zu 20% des gesamten Fahrzeugwiderstands ausmachen. An Eisenbahnzügen, die bei starkem Wind schräg angeströmt werden, entstehen auf der Lee-Seite so starke Längswirbel, dass die Züge umkippen und entgleisen können. Dies muss bei der Entwicklung des Zuges berücksichtigt werden, da dies von der Zertifizierung für die Betriebserlaubnis gefordert wird. Auch in der Gebäudeaerodynamik treten Längswirbel auf. Insbesondere bei schräg angeströmten Flachdächern werden enorme Sogkräfte erzeugt.
Ursache für diese Längswirbel sind Scherschichten, die sich an Abrisskanten ausbilden und zu helikalen Strukturen aufrollen. Dabei wird Wirbelstärke aus dem Außenbereich zum Wirbelkern transportiert, so dass die Zirkulation verstärkt wird. Im Ergebnis entsteht im Wirbelkern ein starker Unterdruck, der in den oben genannten Fällen unerwünscht ist. Bei Deltaflügeln hingegen verstärkt der Unterdruck den aerodynamischen Auftrieb.
Als generisches Modell zur Untersuchung dieser Längswirbel wird eine schräge, rückwärtige halbspannweitige Stufe untersucht. Diese Stufe steht in direkter Analogie zur C-Säule beim generischen Fahrzeugmodell "Ahmed-Body". Die Abbildung zeigt deutlich, wie sich die Scherschicht zu einem Längswirbel aufrollt. Die Unterdrückung dieser Längswirbel kann eine deutliche Reduzierung des Fahrzeugwiderstandes ermöglichen. Zu diesem Zweck wir die Scherschicht durch aktive Strömungskontrolle beeinflusst. Scherschichten besitzen im Geschwindigkeitsprofil einen Wendepunkt, so dass Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten auftreten. Diese Instabilitäten reagieren in bestimmten Frequenzbereichen sehr sensitiv auf schwache äußere Anregungen. Wenn direkt am Entstehungsort der Wirbel, an der Abrisskante, die Scherschicht mit den passenden Frequenzen manipuliert wird, kann das Anwachsen und die Intensivierung der Längswirbel reduziert werden.
Durch eine effektive Kontrolle der Längswirbel kann zukünftig erreicht werden, dass Autos weniger Benzin verbrauchen, Häuserdächer Stürmen trotzen und Züge nicht mehr umkippen.