AT512885A1 - Methods and devices for influencing the streamlines - Google Patents
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Abstract
Die neue Erfindung betrifft technische Verfahren und Vorrichtungen, die die Stromlinien in einer Gasströmung 21 verändern, wenn sich ein Körper 10 oder Geräuschquelle in einem Gasgemisch befindet und mit einer Relativgeschwindigkeit umströmt wird. Am Körper werden an bestimmten Stellen Elektroden in Segmente aufgeteilt befestigt und mit einer variablen Hochspannung 12 als Gleichspannung angelegt. Die Lage der verschiedenen Kathoden- 14 und Anodensegmente 13 zusammen mit wechselbarer Polarität, ermöglicht die Erzeugung eines lonenwindes. Durch diese Ionen- und Luftmolekülbewegung wird gezielt der Weg der Strömungslinien beeinflusst, ohne die äußeren Abmessungen des Körpers zu verändern. Diese technische Veränderung der Stromlinien bewirkt bei einem beliebig geformten Körper, die Veränderung des Luftwiderstandes und die Ausbreitung von Geräuschen, je nachdem, ob eine Vergrößerung oder Verkleinerung in der Anwendung gefordert wird.The new invention relates to technical methods and devices that change the flow lines in a gas flow 21 when a body 10 or noise source is in a gas mixture and is flowed around with a relative velocity. Electrodes are attached to the body at certain points in segments and applied with a variable high voltage 12 as a DC voltage. The location of the various cathode 14 and anode segments 13 together with changeable polarity enables generation of an ion wind. This ion and air molecule movement specifically influences the path of the flow lines without changing the outer dimensions of the body. This technical change in the streamlines causes the arbitrarily shaped body, the change in air resistance and the propagation of noise, depending on whether an increase or decrease in the application is required.
Description
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Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft technische Verfahren und Vorrichtungen, die die Stromlinien in einer Gasströmung verändern, wenn sich ein beliebiger Körper in einem Gasgemisch befindet und mit einer Relativgeschwindigkeit umströmt wird.The invention relates to technical methods and devices that change the flow lines in a gas flow, when any body is in a gas mixture and flows around a relative velocity.
Aus dem Stand der Technik sind für die Erfindung drei wichtige Begriffe bekannt:From the prior art three important concepts are known for the invention:
Stromlinien sind die Kurven aus der Strömungslehre im Geschwindigkeitsfeld einer Strömung, deren Tangentenrichtung mit den Richtungen der Geschwindigkeitsvektoren übereinstimmen. Sie vermitteln einen anschaulichen Eindruck des momentanen Strömungsfeldes und weisen auf problematische Strömungsgebiete hin.Streamlines are the fluid dynamics curves in the velocity field of a flow whose tangent direction coincides with the directions of the velocity vectors. They provide a clear impression of the current flow field and point to problematic flow areas.
Der Staupunkt ist jener Punkt auf der Oberfläche eines angeströmten Körpers, an dem das strömende Fluid theoretisch senkrecht auftrifft. Die kinetische Energie der Strömung wird im Staupunkt in Druckenergie umgewandelt.The stagnation point is that point on the surface of a streamed body where the flowing fluid theoretically impinges vertically. The kinetic energy of the flow is converted into pressure energy at the stagnation point.
Der Ablösepunkt aus der Aerodynamik definiert jenen Punkt auf der umströmten Körperoberfläche, bei dem sich die Strömung von der Körperoberfläche ablöst und Wirbel bildet.The separation point from the aerodynamics defines that point on the body surface, where the flow separates from the body surface and forms vortices.
Aus der Patentschrift US 2011/0272531 Alist bekannt, wie die Grenzschicht am Profilkörper beeinflusst wird. Dabei kann auch durch Anordnung von mehreren Kathoden und Anoden in Serie die Grenzschicht beeinflusst werden, um den Luftwiderstand zu reduzieren.From the patent US 2011/0272531 Alist known how the boundary layer is influenced on the profile body. The boundary layer can also be influenced by arranging several cathodes and anodes in series in order to reduce the air resistance.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass weder Stau- noch der Ablösepunkt gezielt in seiner Lage verändert wird. Das bedeutet, dass die Lage des Ablosepunktes auch in eine ungünstige Position verschoben werden könnte. Diese Verschlechterung des Luftwiderstandes erfolgt immer dann, wenn genau bei der Position der angebrachten Elektroden die Feldlinien von der Körperoberftäche Weggehen, und nicht wie gewünscht anliegen sollten.This arrangement has the disadvantage that neither congestion nor the separation point is selectively changed in its position. This means that the position of the point of departure could also be moved to an unfavorable position. This drag deterioration occurs whenever the field lines from the body surface go off the body surface exactly at the position of the attached electrodes and should not be as desired.
Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Lösung beschreibt die Patentschrift US 2011/0272531 Al nur Lösungen zur Reduzierung des Luftwiderstandes.In contrast to the solution according to the invention, the patent US 2011/0272531 Al only describes solutions for reducing the air resistance.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Stromlinien um einen beliebig geformten Körper zu beeinflussen, damit der Luftwiderstand und oder die Ausbreitung von Geräuschen, je nach geforderter Anwendung, vergrößert oder verkleinert wird.The object of the invention is to influence streamlines around an arbitrarily shaped body so that the air resistance and / or the propagation of noise, depending on the required application, is increased or decreased.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Zusätzlich wird eine Vorrichtung offenbart.This object is achieved with the features of claim 1. In addition, a device is disclosed.
Die Figuren zeigen:The figures show:
Figur 1 zeigt eine Flügelanordnung mit Anströmung parallel zur Flügelsehne.Figure 1 shows a wing assembly with flow parallel to the wing chord.
Figur 2 zeigt die Strömungsverhältnisse bei einem Anstellwinkel.FIG. 2 shows the flow conditions at an angle of attack.
In Figur 3 ist die Elektrodenanordnung abgebildet.FIG. 3 shows the electrode arrangement.
Figur 4 zeigt ein Ausfiihrungsbeispiel mit einem strömungstechnisch kantigen Körper im Querschnitt,FIG. 4 shows an embodiment with a fluid-edged body in cross-section,
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Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren ausführlich beschrieben:In the following the invention will be described in detail with reference to the figures:
Figur 1 zeigt schematisch einen Tragflügel 10 im Querschnitt mit einer Relativgeschwindig-keit 21 parallel zur Profilsehne 17 und den dazugehörigen Stromlinien 16. Der dargestellte Tragflügel 10 kann auch jeder beliebige Körper mit strömungstechnisch ungünstigen Kanten sein. Die Lage des Staupunktes 22 und Ablösepunktes 15 zeigt, dass auch bei hoher und gerader Luöanströmung 21 Luftwirbel 18 entstehen. Die Lage des Staupunktes 22 und Ablösepunktes 15 ist in seiner Größenordnung schematisch eingezeichnet.Figure 1 shows schematically a wing 10 in cross-section with a relative velocity 21 parallel to the chord 17 and the associated streamlines 16. The illustrated wing 10 may also be any body with fluidically unfavorable edges. The position of the stagnation point 22 and detachment point 15 shows that 21 air vortex 18 arise even with high and straight Luöanströmung. The location of the stagnation point 22 and detachment point 15 is shown schematically in its order of magnitude.
Figur 2 zeigt schematisch bei einer Veränderung des Anstellwinkels in plus (nach oben) Richtung, eine Verschiebung des Stau- und Ablösepunktes 22, 15. Die Anzahl und Stärke der Wirbel 18 hinter dem Ablösepunkt 15, in Richtung der Luftströmung, werden dabei erhöht. Eine Verschiebung dieser kritischen Punkte, kann auch eine negative (nach unten) Veränderung des Anstellwinkels 19 bewirken.FIG. 2 shows schematically a change in the angle of attack in the plus (upward) direction, a displacement of the accumulation and detachment points 22, 15. The number and magnitude of the vortexes 18 behind the separation point 15, in the direction of the air flow, are thereby increased. A shift of these critical points can also cause a negative (downward) change in the angle of attack 19.
Figur 3 zeigt schematisch ein Ausfuhrungsbeispiel mit einer Vielzahl von Elektroden als Apoden 13 die in Form von dünnen elektrisch leitenden Drähten oder Kanten von dünnen Folien in der Nähe des Staupunktes 22 am Tragflügel 10 in Segmenten parallel angebracht sind. Eine Vielzahl von Kathoden 14 in Form von dünnen elektrisch leitenden Folien sind in der Nähe des zu erwartenden Ablösepunktes angebracht. Eine regelbare Hochspannungsvorrichtung 12 mit Gleichspannung ist mit den angebrachten Elektroden verbunden. Diese Vorrichtung 12 kann in Abhängigkeit von der Luftanströmrichtung 21 verschieden Anoden 13 und Kathoden 14 gleichzeitig oder in Kombination einzelne Segmente mit einer regelbaren Hochspannung versorgen. Diese angelegte Hochspannung erzeugt nach dem Stand der Technik einen variablen Ionenwind in Strömungsrichtung von den Anoden 13 zu den Kathoden 14 und beeinflusst entscheidend die Form der Stromlinien. Dieser Ionenwind kann auch dann erzeugt werden, wenn die Polarität bei den Elektroden geändert wird.Figure 3 shows schematically an embodiment with a plurality of electrodes as apodes 13 which are mounted in parallel in the form of thin electrically conductive wires or edges of thin films in the vicinity of the stagnation point 22 on the wing 10 in segments. A plurality of cathodes 14 in the form of thin electrically conductive foils are mounted near the expected separation point. A variable voltage DC high voltage device 12 is connected to the attached electrodes. Depending on the air flow direction 21, this device 12 can supply different anodes 13 and cathodes 14 simultaneously or in combination with individual segments having a controllable high voltage. This applied high voltage, according to the prior art, generates a variable ion wind in the flow direction from the anodes 13 to the cathodes 14 and decisively influences the shape of the streamlines. This ion wind can be generated even when the polarity at the electrodes is changed.
Figur 4 zeigt schematisch und übertrieben ein Ausfuhrungsbeispiel mit einem strömungstechnisch ungünstigen und kantigen Körper 20 im Querschnitt. Auch bei diesem Körper sind, wie bei Figur 3, eine Vielzahl von Anoden 13 und Kathoden 14 angebracht und mit einem regelbaren Hochspannungsgerät 12 verbunden. Dabei sind nur die Anoden 13 in Segmente einzeln oder zusammen wählbar miteinander verbunden und sinngemäß auch die Kathoden 14. Durch den erzeugten Ionenwind werden die Stromlinien in ihrer Form verändert. Zwei Beispiele der Feld- und Stromlinien in Überlagerung 23 sind je nach Einstellung der Polarität und Auswahl der Anoden schematisch dargestellt, ln Abhängigkeit der Luftanströmrichtung 21 können entweder die vorderen oder die hinteren Anoden 13 gleichzeitig oder in Kombination in Segmente einzeln mit Hochspannung versorgt werden. Dabei wird der Ionenwind 23 mit oder gegen die Richtung der Luftströmung 21 zum Körper bewegt, um den Luftwiderstand oder die Ausbreitung von Schallwellen zu verkleinern oder, je nach Anwendung gefordert, zu erhöhen.Figure 4 shows schematically and exaggerated an exemplary embodiment with a fluidically unfavorable and angular body 20 in cross section. Also in this body, as in Figure 3, a plurality of anodes 13 and cathodes 14 are mounted and connected to a controllable high voltage device 12. In this case, only the anodes 13 in segments individually or together selectable connected to each other and, mutatis mutandis, the cathodes 14. Due to the generated ion wind, the streamlines are changed in shape. Two examples of the field and stream lines in superposition 23 are shown schematically depending on the setting of the polarity and selection of the anodes. Depending on the air flow direction 21, either the front or the rear anodes 13 can be supplied with high voltage simultaneously or in combination individually in segments. In this case, the ion wind 23 is moved with or against the direction of the air flow 21 to the body in order to reduce the air resistance or the propagation of sound waves or, depending on the application, to increase.
Der Befestigung der Anoden 13 und Kathoden 14 wie in Figur 4 dargestellt, sowie die Aus-wahlmöglichkeit ob die vorderen oder hinteren Anoden aus der Sicht der Luftströmung 21 mit Hochspannung versorgt werden, kann sinngemäß auch auf einem Tragflügel 10 erfolgen. Die elektrische Schaltung der Anoden 13 und Kathoden 14 entweder auf Segmente einzeln oder in Kombination mit einzelne Segmente gleichzeitig, oder alle zusammen, sind möglich. Die Befestigung der Anoden 13 und Kathoden 14 können auch unten am Tragflügel 10 oder an jede andere beliebige andere Stelle erfolgen.The attachment of the anodes 13 and cathodes 14 as shown in Figure 4, as well as the Aus-choice whether the front or rear anodes are supplied from the perspective of the air flow 21 with high voltage, can be carried out analogously on a wing 10. The electrical connection of the anodes 13 and cathodes 14 either to segments individually or in combination with individual segments simultaneously, or all together, is possible. The attachment of the anodes 13 and cathodes 14 can also be done below the wing 10 or any other arbitrary other location.
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Die strömungstechnisch günstige Profilform 10, kann einerseits durch verändern der Stromlinien seinen bereits ohnehin kleinen Luftwiderstand weiter verkleinern und anderseits je nach Variation der Hochspannung vergrößern, ohne die äußere Geometrie der Profilform sichtbar zu verändern. Im Gegensatz dazu wird bei einem strömungstechnisch ungünstigen Körper 20 mit Kanten durch den erzeugten Ionenwind und Variation der Hochspannung den bereits hohen Luftwiderstand noch weiter in Richtung eines ungünstigen Luftwiderstandes vergrößern oder verkleinern. In beiden Fällen von unterschiedlichen Körperfbrmen kann immer jener Stromlinienzustand technisch erzeugt werden, wann immer dieser in der Anwendung auch gebraucht wird, wie beim Beschleunigen oder Verzögern von Körpern. Die einzelnen lokalen Veränderungen der Luftströmungen beeinflussen zusammen die Widerstands- und Auftriebs-beiwerte.The aerodynamically favorable profile shape 10, on the one hand can further reduce its already already small air resistance by changing the streamlines and on the other hand increase depending on the variation of the high voltage without visibly altering the outer geometry of the profile shape. In contrast, in an aerodynamically unfavorable body 20 with edges by the generated ion wind and variation of the high voltage, the already high air resistance will increase or decrease even further in the direction of an unfavorable air resistance. In both cases of different body conditions, that streamline condition can always be engineered whenever it is needed in the application, such as when accelerating or decelerating bodies. The individual local changes in the air currents together influence the resistance and lift coefficients.
Die Veränderung von Feld- und Stromlinien in Überlagerung durch den erzeugten Ionenwind kann auch die Ausbreitung von Geräuschen beeinflussen. Die Schallwellen breiten sich durch kleinste Druck- und Dichteschwankungen in Gasgemische aus. Durch den erzeugten Ionenwind werden die Schallwellen in ihrem Druck- und Dichteverhalten verkleinert oder vergrößert. Der Klang und der Ton von Geräuschen, wie er von Menschen mit dem Gehör wahrgenommen wird, kann in seiner Intensität damit technisch verkleinert und vergrößert werden, ohne die Geräuschquelle selbst zu beeinflussen oder zu verändern. Der Abstand der Geräuschquellen zu den Feldlinien ist von großer Bedeutung. Der Einfluss von Luftlinien und Feldlinien in Überlagerung hat keine Bedeutung, wenn die Geräuschquelle entlang dieser Linien verschoben liegt.The change of field and stream lines in superposition by the generated ion wind can also influence the propagation of noises. The sound waves propagate through the smallest pressure and density fluctuations in gas mixtures. Due to the generated ion wind, the sound waves are reduced or increased in their pressure and density behavior. The sound and the sound of noises, as perceived by people with their hearing, can be technically reduced and enlarged in their intensity without influencing or changing the sound source itself. The distance of the noise sources to the field lines is of great importance. The influence of air lines and field lines in superposition has no meaning when the noise source is shifted along these lines.
Die durch diese Erfindung erzielbaren Vorteile liegen in folgenden Aspekten:The advantages obtainable by this invention lie in the following aspects:
Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ohne Veränderung der äußeren Abmessungen eines Körpers, der sich in einem Gasgemisch befindet und mit einer Relativgeschwindigkeit umströmt wird, die Stromlinien durch den erzeugten Ionenwind verschoben werden. Diese technische Veränderung der Stromlinien bewirkt bei einem beliebigen Körper, die Veränderung des Luftwiderstandes und die Ausbreitung von Geräuschen, je nach dem, ob eine Vergrößerung oder Verkleinerung in der Anwendung gefordert wird.The essential advantage of the invention is that, without changing the external dimensions of a body, which is located in a gas mixture and flows around with a relative velocity, the streamlines are displaced by the generated ion wind. This technical change in the streamlines causes, in any body, the change in air resistance and the propagation of noise, depending on whether an increase or decrease in the application is required.
Die Verbesserung des Luftwiderstandes erfolgt durch gezieltes Umleitung der Stromlinien in ihren Strömungswegen, damit aus der Sicht der Luftströmung einerseits der Staupunkt beim Tragflügel vorne in eine günstige Position verschoben und anderseits der Ablösepunkt beim Flügel zur hinteren Flügelkante verändert wird. In beiden Fällen wird das Strömungsverbalten soweit beeinflusst, dass die Stromlinien länger an der Flügeloberfläche anliegen.The improvement of the air resistance is done by targeted diversion of the streamlines in their flow paths, so from the point of view of the air flow on the one hand, the stagnation point at the wing forward moved to a favorable position and on the other hand, the separation point at the wing to the rear wing edge is changed. In both cases, flow restriction is affected to such an extent that the streamlines are more consistent with the wing surface.
Die Verschlechterung des Luftwiderstandes kann ebenfalls durch gezieltes verändern der Luftlinien erfolgen, je nach dem, ob technisch ein erhöhter oder verkleinerter Widerstand in der Anwendung gefordert wird. Auch durch Wechsel der Polarität bei den Elektroden kann dieser Einfluss angewendet werden.The deterioration of the air resistance can also be done by deliberately changing the air lines, depending on whether technically an increased or reduced resistance in the application is required. This influence can also be applied by changing the polarity of the electrodes.
Der Einfluss auf die Luftlinien kann auch zur Veränderung der Geräuschentwicklung eingesetzt werden. Die Anwendung auf den Luftwiderstand oder der Geräuschveränderung kann getrennt oder gleichzeitig erfolgen.The influence on the air lines can also be used to change the noise. The application to the air resistance or the noise change can be done separately or simultaneously.
Die gezielte Bewegung von Ionen und Molekülen kann auch zur Erzeugung einer Reiativge-schwindigkeit verwendet werden. Das heißt, die Relativbewegung zwischen Körper und Gasgemisch kann auch als Antrieb dienen, ähnlich wie beim Raketenantrieb.The targeted movement of ions and molecules can also be used to generate a rate of travel. That is, the relative movement between body and gas mixture can also serve as a drive, similar to the rocket drive.
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