NACA-Tragflügelprofil

Der Gesamtwiderstand ist die Summe aus Profilwiderstand und induziertem Widerstand: C_d = C_d0 + C_l²/(πARe). Der Profilterm C_d0 steigt mit der Dicke, während der induzierte Term mit dem Quadrat des Auftriebs wächst und mit der Streckung AR abnimmt. Der Oswald-Wirkungsgrad e ist auf etwa 0,85 festgelegt, einen typischen Wert für einen echten Flügel.

Der induzierte Widerstand beträgt C_l²/(πARe), ist also umgekehrt proportional zur Streckung. Ein langer, schlanker Flügel hat schwächere Randwirbel und verliert weniger Energie an den dahinter abfließenden Abwind. Deshalb verwenden Segelflugzeuge und Höhenflugzeuge sehr hohe Streckungen, und deshalb senkt eine Erhöhung des AR-Reglers C_d und verbessert das L/D-Verhältnis.

Der Nullauftriebswinkel α_L0 ist der Anstellwinkel, bei dem das Profil keinen Auftrieb erzeugt. Ein gewölbtes Profil ist so gekrümmt, dass es auch dann noch Luft ablenkt, wenn seine Sehnenlinie leicht nach unten zeigt, sodass es auf einen negativen Winkel gebracht werden muss, bevor der Auftrieb verschwindet. Der Simulator berechnet ihn aus der Wölbungsverteilung und liefert für jedes unsymmetrische Profil einen kleinen negativen Wert.

Die Theorie des dünnen Profils sagt einen unbegrenzt wachsenden Auftrieb voraus, was physikalisch unmöglich ist. Der Simulator fügt einen empirischen Abrisswinkel hinzu, der mit Wölbung und Dicke zunimmt, und jenseits davon fällt der Auftriebsbeiwert exponentiell ab, statt weiter zu steigen. Ein rotes STALL-Abzeichen erscheint, was widerspiegelt, wie die reale Strömung von der Oberseite abreißt, sobald der Anstellwinkel zu steil wird.

Das untere Diagramm zeigt den Druckbeiwert Cp gegenüber der Position entlang der Sehne x/c für die Oberseite (blau) und die Unterseite (rot). Ein stark negativer Cp auf der Oberseite kennzeichnet den Unterdruckbereich, der den größten Teil des Auftriebs erzeugt, mit einem Maximum nahe der Vorderkante, das mit steigendem Anstellwinkel wächst.

Es handelt sich um ein Lehrwerkzeug, keinen CFD-Löser. Die Geometriegleichungen sind exakt, und die Theorie des dünnen Profils ist für dünne Profile bei kleinen Winkeln in anliegender Strömung tatsächlich genau. Die Modelle für Widerstand, Strömungsabriss und Strömungsvisualisierung sind jedoch vereinfacht und empirisch, sodass absolute Zahlen eher als Anhaltswert denn als windkanalgenau zu betrachten sind.

C_m ist der Momentenbeiwert bezogen auf den Viertelpunkt, den die Theorie des dünnen Profils als aerodynamisches Zentrum identifiziert, an dem das Moment mit dem Anstellwinkel annähernd konstant bleibt. Ein symmetrisches Profil ergibt null, während Wölbung ein stetiges kopflastiges Moment erzeugt, das ein Flugzeug mit seinem Höhenleitwerk austrimmen muss.

Die NACA-4-Ziffern-Familie wurde in den 1930er-Jahren entwickelt und wird noch heute bei Leichtflugzeugflügeln, Leitwerken, Propellern, Windturbinenblättern und Modellflugzeugen verwendet. Profile wie das NACA 2412 finden sich an klassischen Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt, und derselbe parametrische Ansatz liegt dem modernen Tragflügelentwurf und auch dem Aufbau dieses Simulators zugrunde.