Strömungswiderstandskoeffizient

Physikalische Kennzahl
Name	Strömungswiderstandskoeffizient, Widerstandsbeiwert
Formelzeichen	$c_{\mathrm {w} }$
Dimension	dimensionslos
Definition	$c_{\mathrm {w} }={\frac {F_{\mathrm {w} }}{q\cdot A}}$
$F_{\mathrm {w} }$ Widerstandskraft $q$ Staudruck der Anströmung $A$ Referenzflächeninhalt
Anwendungsbereich	Luftwiderstand von Fahrzeugen

Der Strömungswiderstandskoeffizient, Widerstandsbeiwert oder c_w-Wert (nach dem üblichen Formelzeichen $c_{\mathrm {w} }$) ist ein dimensionsloses Maß (Koeffizient) für den Strömungswiderstand eines von einem Fluid umströmten Körpers.

Umgangssprachlich ausgedrückt ist der $c_{\mathrm {w} }$-Wert ein Maß für die „Windschlüpfrigkeit“ eines Körpers. Es lässt sich aus dem Strömungswiderstandskoeffizienten bei zusätzlicher Kenntnis von Geschwindigkeit, Stirnfläche, Flügelfläche etc. und Dichte des Fluids (z. B. der Luft) die Kraft des Strömungswiderstands berechnen.

Definition

Der Strömungswiderstandskoeffizient ist durch:

$c_{\mathrm {w} }\,=\,{\frac {F_{\mathrm {w} }}{q\,A}}\,=\,{\frac {2F_{\mathrm {w} }}{\rho \,v^{\,2}A}}$

definiert. Hierbei wird die Widerstandskraft $F_{\mathrm {w} }$ auf den Staudruck $q$ der Anströmung und eine Referenzfläche $A$ normiert. Ferner bilden $\rho$ die Dichte und $v$ die Geschwindigkeit der ungestörten Anströmung. Die Referenzfläche ist definitionsabhängig. Bei Fahrzeugen ist die Widerstandsfläche gleich der Stirnfläche. In der Flugzeugaerodynamik wird jedoch die Auftriebsfläche, also die Flügelfläche als Referenz herangezogen.

Andere Bezeichnungen für den Strömungswiderstandskoeffizient lauten (Luft-)Widerstandsbeiwert, -koeffizient oder Stirnwiderstand. Das Formelzeichen $c_{\mathrm {w} }$ (mit w für Widerstand) ist nur im deutschen Sprachraum üblich; im Englischen wird der Drag-Coefficient als $c_{\mathrm {d} }$ oder $c_{\mathrm {x} }$ notiert.

Abhängigkeit des Strömungswiderstandskoeffizienten

Strömungswiderstandskoeffizient einer Kugel in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl c_w=f(Re). Die charakteristische Länge ist in diesem Fall der Kugeldurchmesser d; die Bezugsfläche A ist eine Kreisfläche mit dem Durchmesser d.

Allgemein gilt, dass bei inkompressibler Strömung der Strömungswiderstandskoeffizient c_W von der Reynolds-Zahl ${\mathit {Re}}$ abhängt:

$c_{\mathrm {w} }=f({\mathit {Re}})\!\,$ mit ${\mathit {Re}}={\frac {vL\rho }{\eta }}$

Diese Aussage ergibt sich, wenn man davon ausgeht, dass die Strömungswiderstandskraft $F_{\mathrm {w} }$ eines Körpers in einer bestimmten Lage abhängig von der Anströmgeschwindigkeit $v$, der Dichte $\rho$ und der Viskosität (Zähigkeit) $\eta$ des Fluids sowie einer charakteristischen Länge $L$ des Körpers ist. Die charakteristische Länge $L$ ist eine bestimmte geometrische Abmessung, deren Quadrat $L^{2}$ in einem festen Verhältnis zur Bezugsfläche $A$ steht.

$F_{\mathrm {w} }=f(v,\,\rho ,\,\eta ,\,L)$

Mittels einer Dimensionsanalyse nach dem Buckinghamschen Π-Theorem lässt sich ableiten, dass die zwei Ähnlichkeitskennzahlen Strömungswiderstandskoeffizient $c_{\mathrm {w} }$ und Reynoldszahl ${\mathit {Re}}$ ausreichen, um den Strömungswiderstand eines bestimmten Körpers zu beschreiben, was eine unkompliziertere allgemeingültige Darstellung des Widerstandes einer bestimmten Körperform ermöglicht.

Stumpfe, kantige Körper haben über einen großen Bereich der Reynolds-Zahl einen weitgehend konstanten Widerstandsbeiwert. Das ist z. B. beim Luftwiderstand von Kraftfahrzeugen bei den relevanten Geschwindigkeiten der Fall.

c_w in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit

Bei kompressiblen Strömungen, also bei Strömungen mit veränderlicher Dichte, besteht auch eine Abhängigkeit des Strömungswiderstandskoeffizienten von der Mach-Zahl. Im transsonischen Bereich und im Überschallbereich ändert sich der Strömungswiderstandskoeffizient stark. In der Nähe der Schallgeschwindigkeit steigt er auf ein Mehrfaches an und sinkt bei sehr hohen Machzahlen auf etwa den doppelten Unterschall-c_w-Wert. Die Grafik veranschaulicht den Zusammenhang schematisch. Oberhalb der kritischen Machzahl überschreiten Teilumströmungen die Schallgeschwindigkeit. Oberhalb der Widerstandsdivergenzmachzahl steigt der Strömungswiderstand stark an. Das Verhalten im Überschallbereich wird bestimmt durch die Geometrie des Körpers. In der Zeichnung steht die grüne Kurve für einen stromlinienförmigen Körper.

Der Widerstandsbeiwert bestimmt für Satelliten ihre Lebensdauer im Orbit. Bei einer Flughöhe oberhalb von ca. 150 km ist die Atmosphäre so dünn, dass die Strömung nicht mehr als laminare Kontinuumsströmung, sondern als freie molekulare Strömung approximiert wird. In diesem Bereich liegt der c_w-Wert typischerweise zwischen 2 und 4, oft wird mit einem Wert von 2,2 gerechnet. Mit steigender Höhe verringert sich der Einfluss der Atmosphäre und ist oberhalb von ca. 1000 km vernachlässigbar.

Ermittlung

Der Strömungswiderstandskoeffizient wird üblicherweise im Windkanal ermittelt. Der Körper steht dabei auf einer Platte, die mit Kraftsensoren ausgestattet ist. Die Kraft in Richtung der Anströmung wird gemessen. Aus dieser Widerstandskraft $F_{\mathrm {w} }$ und den bekannten Größen wie Luftdichte und Stirnfläche wird der Strömungswiderstandskoeffizient bei gegebener Anströmgeschwindigkeit errechnet. Neben der experimentellen Ermittlung kann der Widerstand je nach Komplexität der Modellform und verfügbarer Rechnerkapazität auch numerisch über die Integration der Verteilung von Reibungs- und Druckbeiwert über die Modelloberfläche berechnet werden.

Anwendung

Aus dem Strömungswiderstandskoeffizienten wird die Widerstandskraft $F_{\mathrm {w} }$ wie folgt berechnet:

$F_{\mathrm {w} }={\frac {\rho \,c_{\mathrm {w} }\,A\,v^{\,2}}{2}}$

Der Strömungswiderstand hängt somit ab von

• der Dichte des strömenden Fluids $\rho$ (vergleiche Luftdichte!),
• der Referenzfläche $A$,
• der Strömungsgeschwindigkeit $v$ und
• dem Strömungswiderstandskoeffizienten $c_{\mathrm {w} }$.

Der Luftwiderstand ist somit jeweils proportional zum Strömungswiderstandskoeffizient, zur projizierten Frontfläche und zum Quadrat der Geschwindigkeit. Die erforderliche Antriebsleistung ist wegen $P={\vec {F}}\cdot {\vec {v}}$ sogar proportional zur dritten Potenz der Geschwindigkeit. Daher hat die Wahl der Geschwindigkeit bei Kraftfahrzeugen neben den anderen beiden Faktoren besondere Auswirkung auf den Treibstoffverbrauch.

Der Luftwiderstand ist ausschlaggebend für die Abweichung der tatsächlichen ballistischen Kurve von der idealisierten Wurfparabel.

Beispiele

c_w-Werte von typischen Körperformen

Wert	Form
2,3	Halbrohr lang, konkave Seite
2,0	lange Rechteckplatte
1,33	Halbkugelschale, konkave Seite, Fallschirm
1,2	Halbrohr lang, konvexe Seite
1,2	langer Zylinder, Draht (Re < 1,9 · 105)
1,11…1,17	runde Scheibe, quadratische Platte
0,78	Mensch, stehend
0,6	Gleitschirm (Bezugsfläche Strömungsquerschnittsfläche!)
0,53…0,69	Fahrrad (Mountainbike, gestreckt/aufrecht)
0,45	Kugel (Re < 1,7 · 105)
0,4	Fahrrad (Rennrad)
0,35	langer Zylinder, Draht (Re > 6,7 · 105)
0,34	Halbkugelschale, konvexe Seite
0,09…0,18	Kugel (Re > 4,1 · 105)
0,08	Flugzeug (Bezugsfläche Tragfläche)
0,03	Pinguin
0,02	Tropfen stromlinienförmig

$\mathrm {Re}$ bezeichnet hierbei die Reynolds-Zahl

Luftwiderstandsbeiwerte von Kraftfahrzeugen

Veröffentlichte c_w-Werte sind äußerst kritisch zu hinterfragen, oftmals noch heute an kleinen Modellen unter Missachtung der Modellprinzipien ermittelt, früher beispielsweise durch die Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt mit c_w=0,244 für den Tatra 87, der viel später als Original mit c_w=0,36 gemessen wurde.

cW-Wert	Experimentalfahrzeuge	Serienfahrzeuge
0,9		Ford Model T
0,78		Mercedes G-Klasse (W 463, langer Radstand)
0,7		Motorrad, unverkleidet
0,66		Mercedes-Benz Typ Stuttgart Limousine (1928)
0,51		moderner Lkw (Sattelzug, 2012)
0,50		Citroën 2CV
0,49		VW Käfer
0,44		VW-Bus
0,41		Opel GT (1968), Mercedes-Benz W 116 (1972), VW Golf I (1974), VW Scirocco (1974), Smart Roadster (nicht Coupé)
0,40	VW Öko-Polo (Kleinserie von 52 Stück, 1,7 l / 100 km, 1987)	Citroën CX (1974)
0,39		VW Karmann-Ghia (1967/68), BMW 518/520i E28 (1981), Porsche Carrera GT (2003)
0,385		BMW 525i/528i E28 (großflächige Radkappen, 1981)
0,38		Citroën DS (1956), NSU Ro 80 (1967), VW New Beetle (1998), Lada Kalina 1118 (Basisausstattung 2008), Smart Roadster (Coupé)
0,37		Citroën GS (1970), BMW 5er E28 (1984) Renault Twingo I (1995), Smart Fortwo (1998), Dodge Journey (2008)
0,36		Tatra 87 (1937), Mercedes-Benz Baureihe 126 (1979)
0,35		Lada Kalina 1118 (gehobene Ausstattung 2008)
0,34		Ford Sierra, VW Golf II, VW Scirocco (2008), Citroën Saxo, GAZ-M20 Pobeda (1946)
0,33		Tatra 77A (1935), Porsche 924 ab Modelljahr 1980, Citroën BX (1982), Peugeot 206 (1998), Mercedes-Benz 190 E (1983), Smart Forfour, Seat Ibiza 6K (1993), Kia Soul ev (2014)
0,31		VW Polo 5 (2009)
0,30		Saab 92 (1947), Citroën SM (1970), Audi 100 C3 (1982), BMW 520i E34 (1988) VW Golf III & Vento (1991), Volvo V90 (2016)
0,29		Lotus Europa (1966), Audi 80 B3 (1986), Opel Vectra A (1988), Lexus LS 400 (1989), BMW 1er (2004), Mercedes-Benz GLA (X156, 2014), VW Passat B7 (2010), Opel Astra K (2015), Melkus RS 1000 (1969)
0,28		Rumpler-Tropfenwagen (1921), Opel Omega A (1986), Audi A2 (1999), Porsche 911 (2004), VW e-Golf (2014), Mini F56 (2014).
0,27		BMW 520i (E39) Limousine (1995), Passat 3B B5 Limo (1997)
0,26		Calibra 2,0 8V (1989), BMW 520i E60 (2003), Audi A4 B9 Avant (2015)
0,25		Toyota Prius (2009),
0,246	Twingo Smile
0,245	Jaray/Ley T6
0,24		Toyota Prius (2015), Tesla Model S, Tesla Model X
0,23		Mercedes-Benz E-Klasse (2016), Audi A4 B9 Limousine (2015)
0,22		Mercedes-Benz CLA 180 BlueEFFICIENCY (2013), BMW 5er G30 (2016).
0,2	Mitsubishi HSR-II (Studie, 1989), Loremo
0,195		GM EV1 (Elektroauto mit 225 km Reichweite, 1996)
0,189	VW XL1 (Kleinserie, 1,94 l / 100 km, 2014)
0,18	Zerotracer (Gewinner Zero Emission Race 2010)
0,168	Daihatsu UFE-III (Studie, 2006)
0,159	VW 1L (1-Liter-Auto, 2002)
0,15	Schlörwagen (7-sitzige Limousine, 20 % bis 40 % weniger Verbrauch im Vgl. zum Serienfzg., 1938)
0,11	Fortis Saxonia (Sax2 – Ecocar der TU Chemnitz, 2007)
0,075	PAC-Car II (Weltrekordfahrzeug der ETH Zürich, 2005)
0,07	TERA Fennek (Fahrzeug des TERA TU Graz, 2013)

Der c_w-Wert quantifiziert die aerodynamische Güte eines Körpers. Durch Multiplikation mit der Bezugsfläche $A$ (bei Fahrzeugen üblicherweise die Stirnfläche) erhält man die Widerstandsfläche eines Fahrzeugs: Widerstandsfläche $f_{\mathrm {w} }=c_{\mathrm {w} }A$. Der Luftwiderstand, der den Verbrauch eines Kraftfahrzeugs bei hohen Fahrgeschwindigkeiten bestimmt, ist proportional zur Widerstandsfläche. Von Herstellern wird die Stirnfläche selten angegeben.

Literatur

• Sighard F. Hoerner: Fluid-Dynamic Drag. Eigenverlag, 1965.
• Horst Stöcker (Hrsg.): Taschenbuch der Physik. 4. Auflage. Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4.
• Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg-Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 2. Auflage. Vieweg, Braunschweig 2001, ISBN 3-528-13114-4.
• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-23876-3.
• Wolfgang Demtröder: Mechanik und Wärme. 4. Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-26034-X (Experimentalphysik. Band 1).

Weblinks

• $c_{\mathrm {w} }$-Werte von 1362 Fahrzeugen, abgerufen 12. August 2017.
• Facharbeit zum Thema $c_{\mathrm {w} }$-Werte von KFZ, Formel 1 und allgemeine Heranführung an das Thema (PDF-Datei; 835 kB)
• Sonderausstellung in Hamburg: „100 Jahre gegen den Wind“ in Auto, Motor und Sport
• In der Geheimkammer der Luftikusse, FAZ/FAS 8. September 2014, abgerufen 14. August 2017.