Aerodynamik bei hoher Luftdichte und Kälte < -10° am Gleitschirm

[harald e. wolf]

AW: Aerodynamik bei hoher Luftdichte und Kälte &lt; -10° am Gleitschirm

Ich versuche derzeit zu verstehen, warum der Schirm beim winterlichen Abendflug im Schatten so stark vereist.

These: Kalte Luft nimmt weniger Feuchte auf. OK.

Wir haben also im Tal im Schatten einen Kaltluftsee. Die Feuchte in diesem See muss raus. Sie steigt nach oben in die Luftschicht darüber mit höherem Druck; diese Schicht ist somit in Minuten höher gesättigt. Eine starke Durchmischung kann nicht möglich sein, da auch die obere Schicht weiter (im Schatten) abkühlt. Dieser Kaltluftsee ist meist - je nach Geländemorphologie - gute 100 bis 300 Meter hoch (rein nach dem Gefühl im Gesicht).
Wenn wir nun darin einfliegen, wird die Nase mit viel Feuchte angeströmt. Parallel sinkt die Temp im Tal (ab ca 15:00 Uhr stark ab). Das Segel vereist somit schnell(er).
Die frischen Kristalle sind sehr 'aggressiv' (sechseckige Dendriten mit hohem Andockpotential) und bilden eine feste Schicht, auch wegen der Aufschlaggeschwindigkeit von sagen wir mal +/- 35km/h. Dadurch verdichtet sich die Eisschicht zunehmend; Okklusionen (also Lufteinschlüsse) bestehen kaum. Daher die hohe Eis-Dichte vorne.
Soweit mein Gedanke mit grossem Fragezeichen.

Weitere Berechnung:
Eis hat im Schnitt ein spez. Gewicht/Massendichte von 800 bis über 900kg/m2.
Nehmen wir mal vorne gute 12mtr (Spannweite).
Mittlere Vereisungstiefe (mittig mehr, aussen weniger) von ca 75cm = 9m2.
Vereisung: 9m2 x 1,8kp (auf 2mm Eisstärke) = 16,2kp. Bei 1 mm = 8,1 kg. Dazu die Eisbelegung hinten am OS und unten.
Ergo scheinen im worst-case 10kp plus nicht unrealistisch, was auch meine 'Handwaage' nach extremer Vereisung bestätigt (werde demnächst richtig wiegen).

Fazit: Wenn schon ein Segel eines Musters X mit 6kg vs. einem Leichttuch beim gleichen Muster mit 5kg schon spürbar anders reagiert, wie sehr beeinflusst das Icing dann eine Kappe, die oben statt z.B. 4kg jetzt mal gute 12kg+ wiegt? Diese Mehrdynamik bei extremen Figuren ist wohl nicht wegzudiskutieren. Dazu das veränderte Strömungsverhalten/Grenzschicht/Aufnahme von Speed etc.. Auch an den Leinen bildet sich eine Micro-Eisschicht, die aber kaum sichtbar, nur fühlbar ist, aber das System weiter träge macht.

Vielleicht äussert sich dazu mal ein Konstrukteur?

[MURMEL]

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Manfred.Ulrich,hab den Fehler im Text korrigiert.

Und noch zur Feuchtigkeit : Wenn es abends kälter wird und die Luft sowieso schon feucht ist, schlägt sich doch auch auf den Windschutzscheiben vom Auto maßiv Feuchtigkeit nieder, und das Eis kann schon manchmal ganz schön dick sein. Aber zum Beispiel bei der trockenen Luft, die wir hier in Aachen in den letzten Tagen hatten, blieben die Autoscheiben vollkommen eisfrei,wenn es abends noch mehr abkühlte. Und das gleiche passiert ja auch auf unserem Gleitschirm.
Und gewichtsmäßig komm ich auf die gleichen Ergebnisse wie du Harald.
Viele Grüße

Michael C.

[harald e. wolf]

AW: Aerodynamik bei hoher Luftdichte und Kälte &lt; -10° am Gleitschirm

Danke, Michael.

Hoffe auf richtiges Eis-Flug-Wetter zum Wiegen....

[harald e. wolf]

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gerade zum Thema Turbulatoren gefunden:

".....längst hat sich die Ribletfolie auch im Feldversuch bewährt: Der Flugzeughersteller Airbus beklebte probeweise einen A340 mit der Folie. In eigener Regie stattete die Cathy Pacific Airways ein Linienflugzeug mit der Haifischfolie aus und beklebte 30 Prozent dieser Maschine. Der Effekt: Sie verbraucht nachweislich ein Prozent weniger Kerosin. Würde man einen A340 mit der maximalen Beschichtung, aus technischen Gründen werden höchstens 75 Prozent der Flugzeugoberfläche beklebt, auf einen Transatlantikflug schicken, könnten rund drei Prozent Kerosin beziehungsweise 2,4 Tonnen des Treibstoffs eingespart werden. Technisch gesprochen, vermindern die riblets die turbulente Wandschubspannung um zwei bis zehn Prozent, und das schlägt sich dann im Kerosinverbrauch nieder. Für das Gewicht des eingesparten Sprits könnten im A340 dann 15 Personen mehr mitfliegen...."

Noch eine neue Untersuchung der zhaw: https://tat.zhaw.ch/padaPub/Dispatch...p=doc&id=11433

Also, ganz so falsch liegen wir hier doch nicht.

[Aeronaut]

AW: Aerodynamik bei hoher Luftdichte und Kälte &lt; -10° am Gleitschirm

Nahmd Harald!

Ich glaube, hier versteckt sich ein Denkfehler:

Wir haben also im Tal im Schatten einen Kaltluftsee. Die Feuchte in diesem See muss raus. Sie steigt nach oben in die Luftschicht darüber mit höherem Druck; diese Schicht ist somit in Minuten höher gesättigt. Eine starke Durchmischung kann nicht möglich sein, da auch die obere Schicht weiter (im Schatten) abkühlt. Dieser Kaltluftsee ist meist - je nach Geländemorphologie - gute 100 bis 300 Meter hoch (rein nach dem Gefühl im Gesicht).
Wenn wir nun darin einfliegen, wird die Nase mit viel Feuchte angeströmt. Parallel sinkt die Temp im Tal (ab ca 15:00 Uhr stark ab). Das Segel vereist somit schnell(er).

Feuchte steigt nicht einfach auf. Nur - im Verhältnis zur Umgebung - warme Luft steigt auf. Ist diese Luft zudem feucht, steigt sie nach Kondensationsprozessen noch leichter auf, da beim Kondensieren zusätzlich Wärme frei wird. Stichworte: trockenadiabatisch / feuchtadiabatisch. Das ist in diesem Zusammenhang aber vollkommen egal.

Wichtig ist: Je kälter Luft wird, desto weniger Wasser kann sie in Form von Wasserdampf aufnehmen. Hier ist der Taupunkt ganz interessant. Haben wir einen Taupunkt von 0°C, dann ist bei genau dieser Temperatur der Punkt erreicht, bei dem die Luft kein weiteres Wasser aufnehmen kann, sie ist gesättigt. Ein feuchtes Handtuch würde nicht mehr trocknen. Sinkt die Temperatur (z.B. im Schatten) unter 0°C, dann kondensiert Wasser, das zuviel an Wasser wird ausgefällt. Bei positiven Temperaturen bildet sich dann Tau / Nebel.

Wasser hat die verrückte Eigenschaft, dass es nicht bei 0°C gefriert, sondern es kann manchmal viel, viel kälter sein ohne zu gefrieren. Dann reicht allerdings die geringste Erschütterung dieser unterkühlten Tröpfchen aus, um sie schlagartig gefrieren zu lassen.
Der Wikipediaartikel dazu ist kurz und knackig und interessant.

Jetzt fliegst du in einen Bereich voller unterkühlter Wassertröpfchen ein - der nicht zwingend im Schatten liegen muss, aber dort wahrscheinlicher zu finden ist -, weil der Taupunkt der Luftmasse unterschritten und damit Wasser ausgefällt wurde / kondensiert ist. Kaltluftseen haben zudem die Eigenschaft, oftmals absolut windstill zu sein, womit diese unterkühlten Tröpfchen darin keiner Erschütterung / Bewegung ausgesetzt werden, die sie schlagartig gefrieren lassen würde. Und in diese ruhige Luft voller unterkühlter Tröpfchen fliegst du plötzklich mit 35km/h mit deinem Gleitschirm rein...



Jruß!
Olaf.

[manfred.ullrich]

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Nahmd Harald!

Ich glaube, hier versteckt sich ein Denkfehler:

Feuchte steigt nicht einfach auf. Nur - im Verhältnis zur Umgebung - warme Luft steigt auf. Ist diese Luft zudem feucht, steigt sie nach Kondensationsprozessen noch leichter auf, da beim Kondensieren zusätzlich Wärme frei wird. ........

Doch, feuchte Luft "steigt einfach auf", weil Luftmoleküle (N2) bzw. O2 von den Wasserdampfmolekülen (H2O) verdrängt werden.
Und da H2O leichter als N2 bzw. O2 ist, ist also feuchte Luft leichter als trockene Luft - und steigt auf.
(Mit "feuchter Luft" ist hier NICHT sichtbarer "Wasserdamf" oder Wolken gemeint - da ist das Wasser kondensiert!)

Gruß
Manfred

[harald e. wolf]

AW: Aerodynamik bei hoher Luftdichte und Kälte &lt; -10° am Gleitschirm

Hallo Olaf,

also ganz so falsch lag ich mit meinen Vermutungen denn doch nicht. Im Prinzip schreibst Du nicht viel Gegenteiliges. Gerade Deine Beschreibung des windstillen Kaltluftsees sind ja das Problem. Der Schirm bewegt beim Einfliegen die extrem kalte, unter Null liegende feuchte Masse. Und dann friert die Tüte.
Wie Du auch schreibst: Wasser friert manchmal weit unter null Grad. Kenne ich vom Kajakfahren im Winter, wenn das Thermometer minus 3°C im stark bewegten Wasser der Ötz anzeigt.

Manfred, auch danke. Sehr präzise.

Ihr seid halt alle bessere Wetterleute als ich.

[Aeronaut]

AW: Aerodynamik bei hoher Luftdichte und Kälte &lt; -10° am Gleitschirm

Doch, feuchte Luft "steigt einfach auf", weil Luftmoleküle (N2) bzw. O2 von den Wasserdampfmolekülen (H2O) verdrängt werden.
Und da H2O leichter als N2 bzw. O2 ist, ist also feuchte Luft leichter als trockene Luft - und steigt auf.
(Mit "feuchter Luft" ist hier NICHT sichtbarer "Wasserdamf" oder Wolken gemeint - da ist das Wasser kondensiert!)

Gruß
Manfred

Das ist richtig. Aber in diesem Fall eher vernachlässigbar. Die Luft im Schatten / Kaltluftsee hat ja die gleiche Feuchtigkeit wie die sie umgebende Luftmasse, aus der sie ja entstanden ist. Nach Kondensationsprozessen - und der Entstehung unterkühlter Tröpfchen - sogar weniger - und ist damit schwerer. Also nicht nur schwerer weil kälter und dadurch dichter, sondern auch noch schwerer, weil sie unter den Taupunkt abgekühlt wurde und Wasserdampf auskondensiert ist.
Es braucht schon einen gewissen Gradienten, damit feuchte Luft alleine ihrer Feuchte wegen aufsteigt. Der wird meines Erachtens im diskutierten Fall aber nicht erreicht.

Edit: mal ein kleines Beispiel aus meiner Rumrechnerei gerade, nagelt mich bitte nicht fest, weil es keine genauen Ergebnisse sind, sondern gröbere Schätzungen mit Taschenrechnerunterstützung.

Luftmasse 0°C relative Feuchte 100% (absolut gesättigt) zu Luftmasse 0°C relative Feuchte 0% (absolut trocken) entspricht ungefähr einer Temperaturdifferenz von 4-5K. Hier würde die feuchte Luft sofort aufsteigen. Thermikauslösung beginnt ja bereits bei einem Unterschied von 2K. Aber bei einer Luftmasse 1°C, rF 98% zu -1°C rF 100% - da ist der Dichteunterschied auf Grund der Feuchte wirklich nur marginal und wird durch die veränderte Dichte durch die Temperatur wohl (mindestens) kompensiert.

Edit 2:
Ach ach ach... vergesst das erste Edit. Da ist ein Denkfehler drin, weil relative Feuchte hier unsinnig ist. Die absolute Feuchte muss her, also der tatsächliche Wassergehalt der Luftmasse. Der bleibt ja gleich, wenn man die selbe Luftmasse runterkühlt.
Aufstieg durch Feuchte funktioniert damit nur, wenn man z.B. eine Luftmassenpaket hat von z.B. 20°C und 100% rF (17,3gr H2O/m³) in einer Luftmasse von 20°C und 50% rF (8,3gr H2O/m³). Das entspräche dann ungefähr und Pi mal Daumen dem Äquivalent einer Temperaturdifferenz von 2K.
Langer Rede kurzer Sinn:
Im vorliegenden Fall (Kaltluftsee) ist die Feuchte als Aufstiegsauslöser wohl vernachlässigbar, es sei denn, über dem Kaltluftsee läge eine Schicht mit extrem trockener Luft nahezu gleicher Temperatur.

Jruß!
Olaf.

[harald e. wolf]

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Aeronaut,

um's kompliziert zu machen: Was ist, wenn darüber (über dem KLS) eine ausgeprägte West-Nord-Süd-Konvergenz liegt. Was macht die? "Zieht" die nicht von unten Luftmasse ab? Nur mal so als Gedanke, weil wir das oft erleben, besonders ab ca 14:00 bis 15:00 uhr.

[Aeronaut]

AW: Aerodynamik bei hoher Luftdichte und Kälte &lt; -10° am Gleitschirm

Bei einer Konvergenz treffen zwei Luftmassen aufeinander. Da sie i.d.R. nicht nach unten ausweichen können, weichen sie nach oben aus. Wenn das ein sehr dynamischer Prozess ist, dann wird an der Grenze zum Kaltluftsee bestimmt Luft mitgenommen.
Da die an der Konvergenz beteiligten Luftmassen aber über dem Kaltluftsee liegen, müssen sie wärmer sein. Wären sie gleichtemperiert oder kälter, müsste die Konvergenz bis zum Boden durchdringen.
Aber es ist schwierig zu beantworten, was genau passiert, wenn eine Konvergenz über einem Kaltluftsee liegt. An der Konvergenz, wo die Luftmassen aufeinandertreffen, herrscht ein höherer Druck. Dellt dieser höhere Druck jetzt den Kaltluftsee ein und lässt ihn an den Rändern überschwappen, oder wird der Kaltluftsee an dieser Stelle abgetragen... keene Ahnung. Das wird alles davon abhängig sein, wie groß die Temperaturdifferenzen sind, wie dynamisch die Entwicklung, ob es noch weitere Grenzschichten zwischen Kaltluftsee und Konvergenz gibt, wie stark diese sind, und und und. Aber das ausgeprägte Kaltluftseen extrem stabil sein können, sieht man ja bei Föhnlagen. Der Föhn schafft es oft nicht bis zum Boden durchzubrechen, weil sich dort ein Kaltluftsee befindet. Oder nachts hebt er wieder vom Boden ab, weil sich ein Kaltluftsee bildet.
Von daher glaube ich jetzt nicht, dass sehr viel Luft aus dem Kaltluftsee mitgenommen wird. Was aber abhängig von der Dynamik und den beteilgten Luftmassen ist. Bei anderen Lagen ist so ein Kaltluftsee ratz fatz weg.
Deine Frage ließe sich nur mit einer ausgefeilten Windmessung im Kaltluftsee an verschiedenen Orten und in verschiedenen Höhen beantworten um abzuschätzen, wieviel Luft durch die Konvergenz mitgenommen wird. Aber ich gehe davon aus, dass Luft mitgenommen wird, aber nicht abgezogen.

[harald e. wolf]

AW: Aerodynamik bei hoher Luftdichte und Kälte &lt; -10° am Gleitschirm

Danke, feine Antwort. Werde mir mal die Mühe machen und versch. Temps beim Abfliegen auf dem Vario memorieren.