DE3534268A1 - Surface designed to avoid flow separation on a body around which a fluid flows - Google Patents
Surface designed to avoid flow separation on a body around which a fluid flowsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine zur Vermeidung von Strömungsablösungen ausgebildete Oberfläche eines umströmten Körpers mit einer Vielzahl von Elementen, die aus der Ebene der Oberfläche heraus in die Strömung einragend vorgesehen sind und eine solche Gestalt aufweisen, daß unter Durchmischung in einer Grenzschicht der wandnahen Grenzschicht Energie zugeführt wird.The invention relates to a to avoid Flow separations formed surface of a flow Body with a variety of elements coming from the Level of the surface provided protruding into the flow are and have such a shape that under Mixing in a boundary layer of the boundary layer close to the wall Energy is supplied.
Die Strömung auf der Heckseite von umströmten Körpern neigt zur Ablösung von der Oberfläche. Das führt zu stark erhöhtem Strömungswiderstand. Strömungsablösung tritt jedoch nicht nur am Heck von stumpfen Körpern, z. B. Autos, auf, sondern auch an Tragflügeln bei hohen Anstellwinkeln. Durch Vermeidung von Strömungsablösung kann also nicht nur Widerstand gespart werden, sondern auch der Auftrieb von Tragflügeln erhöht werden. Strömungsablösung tritt auf, wenn die Umströmung eines Körpers mit einem so starken Druckanstieg (= starker positiver Druckgradient) verbunden ist, daß die durch Reibung abgebremste Strömung in der Nähe des Körpers (Grenzschicht) nicht mehr genügend kinetische Energie aufweist, um den bei anliegender Strömung sich einstellenden Druck (potentielle Energie) an der Heckseite des Körpers aufzubauen.The flow on the rear side of the flow around bodies tends to detach from the surface. That leads too strongly increased flow resistance. Flow separation occurs, however not only at the rear of blunt bodies, e.g. B. cars, on, but also on wings at high angles of attack. Avoiding flow separation can not only Resistance can be saved, but also the buoyancy of Wings are raised. Flow separation occurs when the flow around a body with such a strong Pressure increase (= strong positive pressure gradient) connected is that the flow slowed down by friction in the The proximity of the body (boundary layer) is no longer sufficient kinetic Has energy around that when current is present resulting pressure (potential energy) on the Build up the back of the body.
Bei einer bekannten Oberfläche der eingangs beschriebenen Art sind aus der Ebene der Oberfläche heraus in die Strömung einragende Elemente fest vorgesehen, um die energiereiche äußere Strömung mit der abgebremsten Strömung in der Nähe der Oberfläche besser zu durchmischen und dadurch der wandnahen Grenzschicht Energie zuzuführen, so daß die Strömung länger anliegend bleibt bzw. gegen höhere positive Druckgradienten anströmen kann. Die auf der Oberfläche des umströmten Körpers angeordneten Elemente können verschiedene Gestalt aufweisen, die in jedem Fall aber darauf gerichtet ist, die Durchmischung in einer Grenzschicht zu erhöhen. Die Elemente können als Reihen von kleinen Flügeln auf der Oberseite der Tragflügel von Flugzeugen angeordnet sein, um Längswirbel in Strömungsrichtung zu erzeugen (Fig. 1). Eine andere Möglichkeit jedoch mit ähnlicher Wirkung, ist eine keilförmige Ausbildung der Elemente mit entsprechender Anordnung in Strömungsrichtung (Fig. 2). Die verstärkte Durchmischung wird in beiden Fällen durch Erzeugung von Längswirbeln erreicht. Diese fest angeordneten Elemente sind jedoch nur nützlich, solange sich die Strömung in der Nähe der Ablösung befindet. Bei einem Flugzeugtragflügel ist das z. B. während des Landeanfluges der Fall. Bei anderen Flugbedingungen, z. B. während des Reisefluges, sind die bekannten Elemente zur Erzeugung von Längswirbeln nicht nötig und erzeugen in nachteiliger Weise zusätzlichen Widerstand.In a known surface of the type described above, elements protruding from the plane of the surface into the flow are provided in order to better mix the high-energy external flow with the decelerated flow near the surface and thereby to supply energy to the boundary layer near the wall, so that the flow remains in contact for a longer time or can flow against higher positive pressure gradients. The elements arranged on the surface of the flowed-around body can have different shapes, but in each case it is aimed at increasing the mixing in a boundary layer. The elements can be arranged as rows of small wings on the top of the wings of aircraft in order to produce longitudinal vortices in the direction of flow ( FIG. 1). Another possibility, however, with a similar effect, is a wedge-shaped design of the elements with a corresponding arrangement in the flow direction ( FIG. 2). The increased mixing is achieved in both cases by generating longitudinal vortices. However, these fixed elements are only useful as long as the flow is near the separation. In an aircraft wing, this is e.g. B. during the approach. In other flight conditions, e.g. B. during cruise, the known elements for generating longitudinal vortices are not necessary and disadvantageously generate additional resistance.
Es ist bekannt (D.W. Bechert, G. Hoppe und W.-E. Reif: "On the drag reduction of the shark skin", AIAA-Paper 85-0546 (1985).), daß die Elemente zur Erzeugung von Längswirbeln auch sehr klein ausgebildet sein können, wenn sie die Oberfläche dicht belegen. Bei einer turbulenten Grenzschicht, müssen sie nur etwas aus der viskosen Unterschicht herausragen. Die viskose Unterschicht ist eine sehr dünne, sehr wandnahe Schicht, in der die Zähigkeitskräfte der Strömung dominieren. Bei technischen Anwendungen ist diese Schicht normalerweise einen kleinen Bruchteil eines Millimeters dick. In dieser Schicht bilden sich schon auch ohne in die Strömung vorstehende Elemente sehr kleine Längswirbel aus, die die Durchmischung der gesamten Grenzschicht steuern (S.J. Kline, W.C. Reynolds, F.A. Schraub, P.W. Runstadler: "The structure of turbulent boundary layers", J. Fluid Mech. 30 (1967), Seiten 741-773). It is known (D.W. Bechert, G. Hoppe and W.-E. Reif: "On the drag reduction of the shark skin", AIAA paper 85-0546 (1985).) That the elements for producing Longitudinal vortices can also be made very small, if they cover the surface tightly. In a turbulent Boundary layer, they just need something out of the viscous Protrude lower layer. The viscous underlayer is a very thin layer, very close to the wall, in which the toughness forces dominate the flow. With technical Applications, this layer is usually a small one A fraction of a millimeter thick. Form in this layer already without elements protruding into the current very small longitudinal vertebrae that mix control the entire boundary layer (S.J. Kline, W.C. Reynolds, FA. Screw, P.W. Runstadler: "The structure of turbulent boundary layers ", J. Fluid Mech. 30 (1967), Pages 741-773).
Durch sehr feine Längsrillen (D.W. Bechert, G. Hoppe und W.-E. Reif: "On the drag reduction of the shark skin", AIAA-Paper 85-0546 (1985)) kann man die zur Ausbildung dieser Wirbel notwendige Querströmung behindern. Das führt zu einem geringeren Energieaustausch in der turbulenten Grenzschicht, was zur Verminderung der turbulenten Wandschubspannung (unter den Wert bei einer glatten Platte) benutzt werden kann. Verwendbar erscheint dies zur direkten Widerstandsverminderung bei langen Körpern ohne Ablösegefahr, z. B. Flugzeugrümpfen.Through very fine longitudinal grooves (D.W. Bechert, G. Hoppe and W.-E. Mature: "On the drag reduction of the shark skin", AIAA paper 85-0546 (1985)) can be used for training this vortex hinder necessary cross flow. The leads to a lower energy exchange in the turbulent Boundary layer, leading to the reduction of turbulent Wall shear stress (below the value for a smooth plate) can be used. This appears to be usable for direct Reduction in resistance for long bodies without risk of detachment, e.g. B. aircraft fuselages.
Andererseits kann man durch Verstärkung der kleinen Längswirbel mit kleinen Elementen auch die Durchmischung stark anheben. Dies führt zwar zur Erhöhung der Wandschubspannung, aber auch zur Vermeidung von Strömungsablösung. Durch Anbringung z. B. im Heckbereich eines Flugzeugrumpfes oder im hinteren Teil eines Tragflügels können damit durch Ablösungsunterdrückung sowohl der Gesamtwiderstand vermindert als auch der Auftrieb erhöht werden. Auf einer Flugzeugoberfläche können auch verschiedene Elemente zum Einsatz kommen. Eine optimale Wirkung läßt sich jedoch nur für einen Strömungszustand entwickeln.On the other hand, by reinforcing the small longitudinal vertebrae with small elements, the mixing is also strong lift. Although this leads to an increase in the wall shear stress, but also to avoid flow separation. By attachment e.g. B. in the tail area of an aircraft fuselage or in the rear part of a wing can thus by separation suppression both the total resistance decreased as well as the buoyancy can be increased. On an aircraft surface can also use different elements come. However, an optimal effect can only be achieved for develop a flow state.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oberfläche der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß sie sich bei sich ändernden Strömungszuständen anpaßt oder zumindest angepaßt werden kann.The invention has for its object a surface of the type described in the introduction such that it adapts to changing flow conditions or can at least be adjusted.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Elemente einerseits relativ zur Ebene der Oberfläche verstellbar angeordnet sind und andererseits eine solche Gestalt aufweisen, daß sie bei drohender Strömungsablösung die Durchmischung bewirken, bei anliegender Strömung jedoch unter Widerstandsverminderung die Ebene der Oberfläche nachbilden. Dabei ist daran gedacht, daß die Elemente bei unterschiedlichen Strömungszuständen unterschiedliche Relativlagen zu der Oberfläche einnehmen oder einnehmen können, jedenfalls derart, daß mindestens in einer Stellung durch erhöhte Durchmischung die drohende Strömungsablösung vermieden wird und in einer anderen Stellung bei sicher anliegender Strömung eine Widerstandsverminderung eintritt. Die Verstellbarkeit einerseits und die Ausbildung der Gestalt der Elemente, also ihre Form und die Dimensionierung sowie Anordnung, wirken sich auf beide angestrebten Wirkungen aus. Dabei sollen mindestens zwei Strömungszustände im Sinne einer Optimierung berücksichtigt werden, nach Möglichkeit natürlich mehr als zwei Strömungszustände. So ist es insbesondere möglich, die Verstellung und Gestaltung der Elemente so auszubilden, daß hinsichtlich einer Vielzahl von Strömungszuständen eine mehr oder weniger kontinuierliche Abnahme der einen Wirkung und eine Zunahme der anderen Wirkung eintritt.According to the invention this is achieved in that the elements on the one hand, adjustable relative to the level of the surface are arranged and on the other hand such a shape have that the impending flow separation Mix, but with the flow present reproduce the level of the surface while reducing the resistance. It is thought that the elements at different Flow states different relative positions ingesting or ingesting to the surface at least in such a way that at least in one position increased mixing avoided the impending flow separation and in a different position with a secure fit Flow a decrease in resistance occurs. The adjustability on the one hand and the design of the shape of the elements, i.e. their shape and dimensioning as well as arrangement, affect both desired effects out. At least two flow conditions in the Optimization should be considered, if possible of course more than two flow states. That's the way it is in particular, the adjustment and design of the Form elements so that with respect to a variety of flow conditions a more or less continuous Decrease in one effect and increase in the other Effect occurs.
Die Elemente können federnd nachgiebig ausgebildet und/oder gelenkig zur Oberfläche gelagert sein. Die Elemente können durch die Strömungskräfte selbst und/oder durch Fremdkraft verstellbar angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es natürlich, wenn die Elemente durch die Strömungskräfte selbst verstellt werden, so daß eine mehr oder weniger kontinuierliche Anpassung an die verschiedenen Strömungsbedingungen selbsttätig stattfindet und irgendwelche Fremdkraft -Verstelleinrichtungen nicht erforderlich werden. Die Verstellung kann einerseits eine mehr globale Reaktion auf die Strömungsbedingungen durch langsam reagierende große Elemente sein. Besonders bei Umströmung des Körpers mit einer Flüssigkeit ergibt sich aber andererseits auch die Möglichkeit, daß die Elemente besonders klein ausgebildet sein können und auf die momentane Strömungsstruktur schnell reagieren können, wodurch die Grenzschicht in noch stärkerem Maße beeinflußt wird. Keilförmige Elemente, wie sie in fester Form Stand der Technik sind (Fig. 2), lassen sich durch eine Fremdkraft-Verstelleinrichtung leicht in die Ebene der Oberfläche einziehen bzw. ausstellbar lagern, so daß sie dem jeweiligen Strömungszustand angepaßt werden können. Für die Verstellung der Elemente durch die Strömung selbst ergeben sich verschiedene Möglichkeiten:The elements can be designed to be resilient and / or articulated to the surface. The elements can be arranged to be adjustable by the flow forces themselves and / or by external forces. It is of course particularly advantageous if the elements are adjusted by the flow forces themselves, so that a more or less continuous adaptation to the different flow conditions takes place automatically and any external force adjustment devices are not required. On the one hand, the adjustment can be a more global reaction to the flow conditions due to slowly reacting large elements. On the other hand, especially when a liquid flows around the body, there is also the possibility that the elements can be made particularly small and can react quickly to the current flow structure, as a result of which the boundary layer is influenced to an even greater extent. Wedge-shaped elements, as they are in the solid state of the art ( Fig. 2), can be easily pulled into the plane of the surface or stored so that they can be adjusted so that they can be adapted to the respective flow state by means of an external force adjustment device. There are various options for adjusting the elements by the flow itself:
Die Elemente können rein federnd nachgiebig, also entsprechend elastisch ausgebildet sein, so daß sie eine reproduzierbare Rückstellung aufweisen. Die Verstellung bzw. Verbiegung der Elemente wird zweckmäßig durch die Schubspannung der Strömung gesteuert. Dabei wird folgender Zusammenhang benutzt: bei sicher anliegender Strömung ist die Wandschubspannung hoch und die Elemente werden durch diese Wandschubspannung aufgrund ihrer federnd-nachgiebigen Ausbildung oder auch Aufhängung in einer flachen, der Oberfläche angepaßten Stellung gehalten, bei der sie im Abstand zu der Oberfläche diese Oberfläche etwa parallel nachbilden und die sich somit ergebende Oberfläche der Elemente weitgehend geschlossen bzw. glatt ausgebildet ist, so daß die angestrebte Widerstandsverminderung eintritt. Bei geringer Schubspannung hingegen, also bei drohender Strömungsablösung, richten sich die Elemente durch ihr Rückstellvermögen oder durch Federkraft auf und erzeugen eine starke Durchmischung der Grenzschicht. Hierdurch wird die Strömung anliegend gehalten. Durch verminderte Strömungsgeschwindigkeit, z. B. beim Landeanflug eines Flugzeugs, sinkt ebenfalls die Wandschubspannung. Dies ist aber in den meisten Fällen auch der Bereich, in dem die Strömung anliegend gehalten werden muß.The elements can be resilient, ie correspondingly be elastic so that it is reproducible Have provision. The adjustment or bending of the elements is useful due to the shear stress controlled the flow. The following connection is used used: with safe flow the wall shear stress is high and the elements are stressed by this wall shear stress due to their resilient training or also suspension in a flat surface adapted to the surface Position held at a distance from the Recreate this surface approximately parallel and the resulting surface of the elements largely is closed or smooth, so that the desired Reduction in resistance occurs. With less Shear stress, on the other hand, in the event of impending flow separation, the elements align themselves with their resilience or by spring force and create a strong mix the boundary layer. This makes the flow close held. Due to reduced flow velocity, e.g. B. when approaching an aircraft also decreases the wall shear stress. But this is in most Cases also include the area where the flow is held close must become.
Andererseits aber ist es möglich, auf den Einsatz von Federkräften zu verzichten und eine gelenkige Lagerung bzw. Anordnung der Elemente relativ zur Oberfläche zu verwirklichen. Die Verstellung der Elemente erfolgt in einem solchen Falle rein durch die Strömungsmechanik, also die von der Strömung auf die Elemente einwirkenden Kräfte. Strömungen in der Nähe der Ablösung haben eine starke Druckzunahme in Strömungsrichtung. Diese Druckzunahme erzeugt im Hohlraum unter der Oberfläche eine Sekundärströmung, die entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Hauptströmung gerichtet ist. Diese Sekundärströmung kann dazu benutzt werden, die Elemente in sinnvoller Weise zu verstellen. Es ist auch möglich, beide aufgezeigten Möglichkeiten zu kombinieren und beispielsweise neben einer Gelenkaufhängung der Elemente zusätzlich eine sehr weiche Federung einzusetzen.On the other hand, it is possible to use spring forces to do without and an articulated storage or Realize arrangement of the elements relative to the surface. The elements are adjusted in such a way Fall purely through the fluid mechanics, that of the forces acting on the elements. Currents near the detachment have a sharp increase in pressure in the direction of flow. This pressure increase creates in Cavity under the surface a secondary flow that is opposite to the flow direction the main flow is directed. This secondary flow can be used to display the elements in sensible way to adjust. It is also possible to do both to combine the options shown and for example in addition to an articulated suspension of the elements use a very soft suspension.
In bevorzugter Ausführungsform weisen die Elemente L- förmigen Querschnitt auf und sind mit dem einen, der Oberfläche zugekehrten Schenkel etwa senkrecht zur Oberfläche angeordnet, während sich der andere Schenkel etwa parallel zur Oberfläche in Strömungsrichtung erstreckt. Dies ist jedenfalls bei anliegender Strömung und hoher Schubspannung der Fall, bei der die Elemente gleichsam eingeklappt sind und keinen zusätzlichen Reibungswiderstand verursachen.In a preferred embodiment, the elements L- shaped cross section and are with one, the surface facing legs approximately perpendicular to the surface arranged while the other leg is approximately parallel extends to the surface in the direction of flow. This is at least when there is current and high shear stress the case where the elements are collapsed, so to speak and cause no additional frictional resistance.
Der sich etwa senkrecht zur Oberfläche erstreckende eine Schenkel der Elemente weist eine quer zur Strömungsrichtung sich erstreckende Flächenausbildung auf, die einer entgegengesetzt zur Strömungsrichtung gerichteten Sekundärströmung Widerstand bietet. Durch den Angriff dieser Sekundärströmung an den entsprechenden Flächenelementen des einen Schenkels der Elemente richten sich die Elemente bei niedriger Schubspannung und fast abgelöster Strömung auf. Diese Aufrichtung ist nur möglich, wenn die Strömungsbedingungen nahe der Strömungsablösung vorhanden sind, wenn also die Schubspannung klein ist und wenn ein ansteigender Druck in Strömungsrichtung auftritt. Ein solcher Verstellmechanismus führt zu einer Gleichgewichtseinstellung der Elemente, entsprechend den Schubspannungen und den Drücken, die beide etwa proportional der Strömungsgeschwindigkeit sind. Das bedeutet, daß die Einstellung der Elemente unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist und nur davon beeinflußt wird, ob die Strömung in der Nähe der Ablösung ist oder nicht. Bei sicher anliegender Strömung mit hoher Wandschubspannung sind die Elemente eingeklappt und stellen praktisch eine sich parallel zur Oberfläche des umströmten Körpers erstreckende glatte Oberfläche dar, die nur einen kleinen Reibungswiderstand erzeugt.The one that extends approximately perpendicular to the surface Leg of the elements has a cross to the direction of flow extending area training on that one opposite to the direction of flow secondary flow Offers resistance. By attacking this secondary flow on the corresponding surface elements of the the elements are attached to one leg of the elements low shear stress and almost detached flow. This erection is only possible if the flow conditions exist near the flow separation if So the shear stress is small and if it increases Flow pressure occurs. Such an adjustment mechanism leads to an equilibrium of the Elements, according to the shear stresses and pressures, both roughly proportional to the flow rate are. That means setting the items independently of the flow velocity and only of it is affected whether the flow near the detachment is or not. With a safe current with high Wall shear stress, the elements are folded and set practically a flow parallel to the surface of the Body-extending smooth surface that produces only a small frictional resistance.
Der sich etwa in Strömungsrichtung erstreckende andere Schenkel der Elemente kann in Strömungsrichtung spitz zulaufend ausgebildet sein, um in der ausgeklappten Stellung die angestrebte Durchmischung in der Grenzschicht herbeizuführen.The other, which extends approximately in the direction of flow Legs of the elements can taper in the direction of flow be trained to in the extended position bring about the desired mixing in the boundary layer.
Auf der der Strömung ausgesetzten Oberfläche des anderen Schenkels der Elemente können in Strömungsrichtung verlaufende, widerstandsvermindernde Längsrillen mit scharfen Graten zusätzlich vorgesehen sein. Dies dient zur Verminderung des Reibungswiderstandes bei turbulenter Strömung in eingeklapptem Zustand der Elemente. Die Größe der Elemente ist an sich nicht festgelegt. Eine Wirksamkeit ist auch dann noch gegeben, wenn sie sehr klein sind und ihre Dimensionen in der Nähe der Dicke der viskosen Unterschicht liegen. In diesem Fall ist auch eine Wechselwirkung mit den ohnehin vorhandenen Längswirbeln in der viskosen Unterschicht möglich. Die Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 sind auf eine passive Oberfläche gerichtet.On the surface of the other exposed to the current Legs of the elements can run in the direction of flow, resistance-reducing longitudinal grooves with sharp Burrs may also be provided. This is for reduction the frictional resistance in turbulent flow in the folded state of the elements. The size of the elements is not fixed in itself. An effectiveness is even when they are very small and theirs Dimensions close to the thickness of the viscous underlayer lie. In this case there is also an interaction with the already existing longitudinal vertebrae in the viscous lower layer possible. The features of claims 1 to 7 are on directed a passive surface.
Wenn sich die Elemente bei anliegender Strömung nicht stark aufrichten, so ist hier noch eine andere Wechselwirkung möglich, die - ähnlich wie die Anordnung der feinen Längsrillen mit scharfen Graten - zur Verminderung der Schubspannung bei anliegender Strömung führt:If the elements are not strong when the flow is present another interaction is possible here, which - similar to the arrangement of the fine longitudinal grooves with sharp burrs - to reduce the shear stress current flows:
In der Oberfläche zwischen den Elementen können Schlitze zum Ausbringen von widerstandsvermindernden Polymer-Additiven unter die Elemente vorgesehen sein. Durch diese Schlitze zwischen den Elementen kann Fluid in einem momentan und lokal auftretenden Bereich niedrigen Druckes eingeblasen werden, und zwar aus dem Raum unter der Oberfläche. Dadurch kann die in diesen Bereichen auftretende, besonders langsame Strömung beschleunigt werden. Dies führt zu einer Stabilisierung der Strömung und dies wiederum zu einer Verminderung des Reibungswiderstandes. Die Beweglichkeit der kleinen, verstellbaren Elemente verstärkt diesen Effekt. Überschlagsrechnungen haben ergeben, daß die erzielbare Wirkung insbesondere bei Umströmung von Körpern mit Flüssigkeit möglich ist. Auch die langsameren, großräumigen Schwankungen in turbulenten Grenzschichten führen zu Sekundärströmungen unter der Oberfläche und zu Verstellungen der Elemente. Wenn Fluid durch die Schlitze zwischen den Elementen ausgeblasen wird, so wird es immer in Strömungsrichtung ausgeblasen und vorzugsweise an solchen Stellen, wo momentan Druck und Geschwindigkeit an der Oberfläche klein sind. Dies führt allein für sich schon zu einem Strömungsprofil, das die Strömung länger anliegend hält.There may be slits in the surface between the elements for the application of resistance-reducing polymer additives be provided under the elements. Through this Slots between the elements can be fluid in one moment and locally occurring low pressure area be blown in from the space below the surface. This means that the particularly slow flow can be accelerated. This leads to a stabilization of the flow and this in turn to reduce the frictional resistance. The The mobility of the small, adjustable elements is increased this effect. Roughing calculations have shown that the achievable effect, especially when flowing around Bodies with liquid is possible. Even the slower ones large-scale fluctuations in turbulent boundary layers lead to sub-surface currents and to Adjustments of the elements. If fluid through the slots blown out between the elements, it always will blown out in the direction of flow and preferably on such Place where pressure and speed at the moment Surface are small. This alone leads to a flow profile that fits the flow longer holds.
Bei Verwendung der neuen Oberfläche des umströmten Körpers in Flüssigkeiten ergibt sich außerdem noch die Möglichkeit, an sich bekannte widerstandsvermindernde Polymer-Additive in den Hohlraum unter den Elementen einzuspeisen. Durch die sich zwischen den Elementen ergebenden Durchbrechungen können diese Polymer-Additive dann austreten und zu einer weiteren Widerstandsverminderung führen.When using the new surface of the flowed body in liquids there is also the possibility known resistance-reducing polymer additives feed into the cavity under the elements. Through the resulting breakthroughs between the elements these polymer additives then leak out and become another Reduce resistance.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Es zeigen:The invention is based on a few exemplary embodiments further explained and described. Show it:
Fig. 1 eine Oberfläche mit fest angeordneten, flügelartigen Elementen (Stand der Technik), Fig. 1 is arranged a surface with fixed, wing-like elements (prior art),
Fig. 2 eine Oberfläche mit fest angeordneten, keilförmigen Elementen (Stand der Technik), Fig. 2 is arranged a surface with fixed, wedge-shaped elements (prior art),
Fig. 3 eine Oberfläche mit der Darstellung eines einzelnen, federnd nachgiebig ausgebildeten Elements, Fig. 3 is a surface having the appearance of a single, resiliently formed element,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch die Oberfläche mit einer Vielzahl von verstellbaren Elementen gemäß Fig. 3 bei anliegender Strömung und hoher Schubspannung, FIG. 4 shows a sectional view through the surface with a large number of adjustable elements according to FIG. 3 with the flow applied and high shear stress, FIG.
Fig. 5 eine Schnittdarstellung der Oberfläche gemäß Fig. 4, jedoch bei niedriger Schubspannung und fast abgelöster Strömung, Fig. 5 is a sectional view of the surface shown in FIG. 4, but at low shear stress and almost separated flow,
Fig. 6 die Darstellung einer Oberfläche mit einem einzelnen, gelenkig gelagerten Element und Fig. 6 shows a surface with a single, articulated element and
Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung der Oberfläche mit einer Vielzahl von Elementen gemäß Fig. 6 bei niedriger Schubspannung und fast abgelöster Strömung. Fig. 7 is a cross-sectional view of the surface with a plurality of elements according to Fig. 6 with low shear stress and almost detached flow.
In Fig. 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Stück einer Oberfläche 1 eines umströmten Körpers dargestellt, der auf seiner der Strömung ausgesetzten Seite der Oberfläche 1 Elemente 2 aufweist, die fest und damit unbeweglich angeordnet sind. Die Elemente 2 sind flügelähnlich ausgebildet und schräg zur Strömungsrichtung 3 geneigt angeordnet, so daß sie in einer Grenzschicht Längswirbel 4 hervorrufen, die infolge der jeweils entgegengesetzt schräg durchgeführten Anordnung auch entgegengesetzt drehen, wie durch die Richtungspfeile 5 angedeutet ist.In Fig. 1 in a perspective view a piece of a surface 1 is shown an airfoil, the exposed on its flow side of the surface having 1 elements 2 are fixed to be immobile. The elements 2 are wing-like and are arranged at an angle to the flow direction 3 , so that they cause longitudinal vortices 4 in a boundary layer, which also rotate in opposite directions due to the opposite, obliquely arranged arrangement, as indicated by the directional arrows 5 .
Fig. 2 zeigt eine grundsätzlich ähnliche Ausbildung und Anordnung, also ebenfalls mit festen Elementen 2, die hier keilförmige Gestalt besitzen und in Strömungsrichtung 3 ausgerichtet angeordnet sind, so daß auch hier bei der Überströmung Längswirbel 4 entsprechend den Richtungspfeilen 5 entstehen. Fig. 2 shows a fundamentally similar design and arrangement, ie also with fixed elements 2 , which here have a wedge-shaped shape and are arranged aligned in the direction of flow 3 , so that longitudinal vortices 4 corresponding to the directional arrows 5 also arise in the overflow.
Oberflächen 1 mit fest angeordneten Elemente 2 gemäß den Fig. 1 und 2 gehören zum Stand der Technik.Surfaces 1 with fixed elements 2 according to FIGS. 1 and 2 belong to the prior art.
Fig. 3 zeigt die Einzeldarstellung eines Ausschnitts aus der neuen Oberfläche 1 mit der Darstellung eines einzelnen Elementes 2, welches jedoch federnd nachgiebig ausgebildet ist. Auch die Gestalt des Elements 2 ist neu. Das Element 2 weist einen ersten Schenkel 6 und einen anderen Schenkel 7 auf, die in einem Winkel von annähernd 90° miteinander so verbunden sind, daß sich etwa ein L-förmiger Querschnitt ergibt. Dabei ist der der Oberfläche 1 zugekehrte Schenkel 6 etwa senkrecht oder nur leicht geneigt zu der Oberfläche 1 angeordnet, während der andere Schenkel 7 sich im Abstand etwa parallel zu der Ebene der Oberfläche 1 befindet. Der Schenkel 7 läuft in Strömungsrichtung 3 spitz zu bzw. aus. In durchgezogener Linienführung ist die Stellung dargestellt, die sich aufgrund anliegender Strömung und hoher Schubspannung ergibt. Hierbei wird das Element 2 im Bereich des Schenkels 6 federnd nachgiebig gekrümmt bzw. gebogen, so daß sich der andere Schenkel 7 in eine Relativlage etwa parallel zu der Ebene der Oberfläche 1 ergibt. Bei einem Abfall der Schubspannung, wie es typisch für eine fast abgelöste Strömung ist, richtet sich das Element 2 mehr oder weniger in seine rückfederungsfreie Normalstellung auf, die in gestrichelter Linienführung angedeutet ist. Dabei wird von der Spitze des Schenkels 7 ein Federweg 8 zurückgelegt. Während sich der Schenkel 6 auch in dieser Stellung mehr oder weniger senkrecht zu der Oberfläche 1 erstreckt, liegt der andere Schenkel 7 nunmehr nicht mehr parallel zu der Ebene der Oberfläche 1, sondern steht in Strömungsrichtung vor, so daß hier eine rauhe zweite Oberfläche geschaffen wird, die gleichsam als Sekundäroberfläche bezeichnet werden könnte. Diese rauhe Oberfläche trägt zu einer erhöhten Durchmischung im Grenzschichtbereich bei. Das Element 2 kann aus dünnem, blattfederartigem Material ausgebildet sein, damit eine reproduzierbare Rückstellung je nach den Strömungsbedingungen eintritt und eine insoweit aufwendigere Verstelleinrichtung mit Fremdkraft vermieden wird. Es versteht sich, daß auf einer Oberfläche 1 nicht nur ein einziges Element 2, sondern eine Vielzahl bzw. zumindest eine Mehrzahl davon, vorgesehen sind, wie dies anhand der Schnittdarstellung der Fig. 4 und 5 erkennbar wird. Bei hoher Schubspannung (Fig. 4) werden die Elemente 2 durch die auf sie einwirkenden Kräfte entgegen ihrer Rückstellfederungskraft so verbogen, daß sich die anderen Schenkel 7 aufeinanderlegen bzw. aneinander abstützen, so daß durch sie gleichsam die Ebene der Oberfläche 1 im Abstand noch einmal nachgebildet wird. Es handelt sich jedoch um eine vergleichsweise glatte Ebene, so daß diese einen entsprechend niedrigen Widerstand erzeugt. Bei niedriger Schubspannung und fast abgelöster Strömung hingegen ergibt sich die aus Fig. 5 ersichtliche Relativlage. Die auf die Elemente 2 einwirkenden Kräfte werden geringer, so daß sich das Rückstellvermögen des federnden Werkstoffes so bemerkbar macht, daß die einzelnen Elemente 2 aufgerichtet werden. Hierdurch gelangen die Schenkel 7 in eine schuppenartige Relativlage zueinander, was eine rauhe Oberfläche mit entsprechender Durchmischung in der Grenzschicht bedeutet. Die Elemente 2 sind gleichgerichtet angeordnet und, wie aus den Zeichnungen ersichtlich, in Strömungsrichtung 3 ausgerichtet vorgesehen. Fig. 3, the single figure shows a section of the new surface 1 with the representation of an individual element 2, but which is formed resiliently. The shape of element 2 is also new. The element 2 has a first leg 6 and another leg 7 , which are connected to one another at an angle of approximately 90 ° so that there is approximately an L-shaped cross section. Here, the surface 1 facing leg 6 is approximately perpendicular or slightly inclined to the surface 1 is arranged, while the other leg 7 about located at a distance parallel to the plane of the surface. 1 The leg 7 tapers in or out in the direction of flow 3 . The solid line shows the position that results from the current and high shear stress. Here, the element 2 is resiliently bent or bent in the region of the leg 6 , so that the other leg 7 results in a relative position approximately parallel to the plane of the surface 1 . In the event of a drop in the shear stress, as is typical for an almost detached flow, the element 2 more or less straightens up to its springback-free normal position, which is indicated in dashed lines. A spring travel 8 is covered from the tip of the leg 7 . While the leg 6 also extends more or less perpendicular to the surface 1 in this position, the other leg 7 is no longer parallel to the plane of the surface 1 , but projects in the direction of flow, so that a rough second surface is created here , which could be called a secondary surface. This rough surface contributes to increased mixing in the boundary layer area. The element 2 can be made of thin, leaf spring-like material, so that a reproducible reset occurs depending on the flow conditions and a more complex adjustment device with external force is avoided. It goes without saying that not only a single element 2 , but rather a plurality or at least a plurality thereof are provided on a surface 1 , as can be seen from the sectional illustration in FIGS . 4 and 5. At high shear stress ( Fig. 4), the elements 2 are bent by the forces acting on them against their return spring force so that the other legs 7 lie on one another or are supported against one another, so that, as it were, the plane of the surface 1 at a distance again is reproduced. However, it is a comparatively smooth level, so that it generates a correspondingly low resistance. With low shear stress and almost detached flow, however, the relative position shown in FIG. 5 results. The forces acting on the elements 2 become smaller, so that the resilience of the resilient material becomes so noticeable that the individual elements 2 are erected. As a result, the legs 7 come into a scale-like relative position to one another, which means a rough surface with appropriate mixing in the boundary layer. The elements 2 are arranged in the same direction and, as can be seen from the drawings, are provided aligned in the direction of flow 3 .
Anhand der Fig. 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Elemente 2 dargestellt. Jedes Element 2 besitzt zwar auch hier einen ersten Schenkel 6 und einen zweiten Schenkel 7, ist jedoch mit Hilfe des Gelenks 9 an der Oberfläche 1 bzw. in der Oberfläche gelagert, so daß auch hier - freilich anders - eine Verstellung des Elements 2 durch die einwirkenden Kräfte stattfindet. In Fig. 6 ist in durchgezogener Linienführung die Relativlage bei hoher Schubspannung und in gestrichelter Linienführung bei niedriger Schubspannung verdeutlicht. Beide Relativlagen unterscheiden sich um den Verstellweg 10. A further embodiment of the elements 2 is shown with the aid of FIGS. 6 and 7. Although each element 2 also has a first leg 6 and a second leg 7 here , it is mounted on the surface 1 or in the surface with the aid of the joint 9 , so that here too - although different - an adjustment of the element 2 by the acting forces takes place. In Fig. 6 in a solid line the relative position at high shear stress and in dotted lines is illustrated at low shear stress. Both relative positions differ by the adjustment path 10 .
Es versteht sich, daß hier nur zwei Relativlagen dargestellt sind. Entsprechend den Strömungsbedingungen ergibt sich eine kontinuierliche bzw. stufenlose Verstellung je nach den herrschenden Strömungsbedingungen.It is understood that only two relative positions are shown here are. According to the flow conditions a continuous or stepless adjustment according to the current flow conditions.
Fig. 7 verdeutlicht die Stellung einer Mehrzahl von Elementen 2 gemäß Fig. 6 bei niedriger Schubspannung und fast abgelöster Strömung. Typisch für diesen Strömungszustand ist ein Druckanstieg entgegengesetzt zur Strömungsrichtung 3, der wiederum Ursache für eine Sekundärströmung gemäß den Pfeilen 11 ist. Diese Sekundärströmung gemäß den Pfeilen 11 wirkt auf nicht weiter verdeutlichte Flächenelemente an den Schenkeln 6 ein, die zu diesem Zweck lange, flache Schäfte aufweisen können. Diese Schäfte besitzen einen Widerstand in der Sekundärströmung gemäß den Pfeilen 11, so daß auf diese Weise die Verstellung der Elemente 2 um die Gelenke 9 erfolgt. Bei kleiner Schubspannung und ansteigendem Druckverlauf in Strömungsrichtung 3 führt dieser Verstellmechanismus zu der Einstellung eines Gleichgewichtszustands der Kräfte an den Elementen 2, herrührend von Schubspannungen und Drücken, die beide etwa proportional der Strömungsgeschwindigkeit sind. Dies bedeutet, daß die Elemente 2 unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden. FIG. 7 illustrates the position of a plurality of elements 2 according to FIG. 6 with a low shear stress and an almost separated flow. Typical of this flow state is a pressure increase opposite to the flow direction 3 , which in turn is the cause of a secondary flow according to the arrows 11 . This secondary flow according to the arrows 11 acts on surface elements on the legs 6 which are not further illustrated and which for this purpose can have long, flat shafts. These shafts have a resistance in the secondary flow according to the arrows 11 , so that the elements 2 are adjusted about the joints 9 in this way. With a small shear stress and increasing pressure curve in the flow direction 3 , this adjustment mechanism leads to the establishment of an equilibrium state of the forces on the elements 2 , resulting from shear stresses and pressures, both of which are approximately proportional to the flow velocity. This means that the elements 2 are set independently of the flow rate.
In Fig. 5 ist dargestellt, daß die Oberfläche 1 in jedem Fall auch mit Schlitzen 12 versehen sein kann, durch die ein Fluid zusätzlich ausgeblasen werden kann. Das Ausblasen erfolgt immer etwa in Strömungsrichtung 3. Durch die Schlitze 12 kann aber auch ein Polymer-Additiv ausgebracht werden, welches zu einer weiteren Widerstandsverminderung beiträgt.In Fig. 5 it is shown that the surface 1 may be provided in each case with slits 12, through which a fluid can additionally be blown out. The blowing out always takes place approximately in the direction of flow 3 . Through the slots 12 , however, a polymer additive can also be applied, which contributes to a further reduction in resistance.
Die konstruktive Ausbildung der variabel einstellbaren Elemente 2 kann in verschiedener Weise erfolgen, da die Größe der Elemente 2 nicht von vornherein festliegt. Die Elemente 2 können aus Blech oder Kunststoff gefertigt werden und auch aus Einzelteilen zusammengefügt werden, sofern die Elemente 2 in der Zentimeter-Größenordnung vorgesehen sind. Bei sehr kleinen Strukturen aus den Elementen 2 in der Millimeter-Größenordnung und darunter können Herstellungstechniken zum Einsatz kommen, wie sie beim Weben von Samt, Webpelzen o. dgl. bekannt sind. In allen Fällen sind die Elemente 2 flach ausgebildet, einheitlich orientiert und laufen hinten möglichst spitz zu.The construction of the variably adjustable elements 2 can take place in various ways, since the size of the elements 2 is not fixed from the outset. The elements 2 can be made of sheet metal or plastic and can also be assembled from individual parts, provided that the elements 2 are of the order of centimeters. In the case of very small structures made up of the elements 2 in the millimeter range and below, production techniques can be used as are known for weaving velvet, faux fur or the like. In all cases, the elements 2 are flat, uniformly oriented and taper as sharply as possible at the rear.
-
Bezugszeichenliste:
1 = Oberfläche
2 = Elemente
3 = Strömungsrichtung
4 = Längswirbel
5 = Richtungspfeile
6 = Schenkel
7 = Schenkel
8 = Federweg
9 = Gelenk
10 = Verstellweg
11 = Pfeil
12 = SchlitzReference symbol list: 1 = surface
2 = elements
3 = flow direction
4 = longitudinal vertebrae
5 = directional arrows
6 = leg
7 = leg
8 = travel
9 = joint
10 = adjustment path
11 = arrow
12 = slot
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