DE10052022A1 - Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen - Google Patents
Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und WirbelstrukturenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen, bestehend aus einer Vielzahl von sehr dichten, vliesförmig gegliederten, flexiblen, glatten, in bzw. annähernd in Strömungsrichtung liegenden, haarförmigen Strukturen, wobei das stromaufwärts weisende Ende auf der um- oder durchströmten Körperwand besfestigt ist und das andere, freie Ende durch die anliegenden Strömungskräfte selbsttätig ausgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die haarförmigen Strukturen aufweisen: DOLLAR A - einen Durchmesser d APPROX (1...100) È v/u¶Ð¶ mit v, der kinematischen Zähigkeit des Fluids, und u¶Ð¶, der Wandschubspannungsgeschwindigkeit, DOLLAR A - eine Länge L (a) in turbulenten Grenzschichten: im Bereich 10% < L/delta < 200% mit delta, der Grenzschichtdicke, und (b) im turbulenten Nachlauf, in Mischungsschichten und in Freistrahlen: mehrfaches der Abmaße der Wirbel, die sich ohne diese Anordnung ausbilden würde, DOLLAR A - eine Strukturdichte 1 s/d < 10 mit Strukturabstand s und Durchmesser d.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbel
strukturen zur Strömungsbeeinflussung, wie im Nachlauf von umströmten Körpern, Mischungs
schichten ("mixing layer"), Freistrahlen ("jets") und insbesondere von turbulenten Grenzschich
ten, durch das Anbringen von einseitig eingespannten, in bzw. annähernd in Strömungsrichtung
liegenden feinen, glatten, flexiblen Haaren im Bereich der Scherschicht.
Zum Stand der Technik werden die turbulenten Scherschichten gesondert betrachtet nach:
- 1. turbulenten Grenzschichten
- 2. Nachlauf von umströmten Körpern
- 3. Mischungsschichten und Freistrahlen
Gemäß dem Stand der Technik wurde davon ausgegangen, daß hydraulisch glatte Oberflächen
den geringsten Reibungswiderstand besitzen. Seit Erfindung der Riblets (Walsh 1990) muß diese
Aussage korrigiert werden, weil mit derartig feinen, in Strömungsrichtung liegenden Rillen der
Reibungswiderstand um maximal 10% (Bechert 1997a) vermindert werden kann. Weiterhin ist
aus der Strömungsmechanik eine aktive Methode zur Verminderung des Reibungswiderstandes
bekannt. Durch das Einbringen von Zusätzen wie Polymeren, Tensiden und festen oder flexiblen
Partikeln wurde der Widerstand bis zu 70% reduziert. Turbulente Grenzschichten weisen insbe
sondere in der inneren Schicht Wirbelstrukturen auf, deren Wirbelachsen in Strömungsrichtung
liegen. Sowohl bei den passiven (Riblets) als auch bei den aktiven Methoden werden diese Wir
belstrukturen derart beeinflußt, daß der Reibungswiderstand des Fluids an der Wand reduziert
wird.
Eine Einrichtung zur Verminderung des Reibungswiderstandes wird durch das Patent von
Kramer (1938) beschrieben. Der Anspruch beinhaltet eine Anordnung aus feinen, gespannten
Drähten, die parallel zur Strömungsrichtung, dicht über einem turbulent umströmten Körper an
geordnet sind. Kramer geht davon aus, daß durch diese Vorgehensweise die äußere turbulente
Strömung von der Wand fern gehalten werden kann; der experimentelle Nachweis der Wider
standsverminderung wurde nicht erbracht (Walsh 1990). Bechert (in Coustols & Savill 1989)
berichtet von viskosen Strömungsrechnungen seines Kollegen Bartenwerfer, der dünne Drähte
(ähnlich dem Patent von Kramer) zur Widerstandsreduzierung untersuchte. Anhand der numeri
schen Untersuchungen empfehlen Bartenwerfer & Bechert (1991) einen Drahtdurchmesser von
d/s ≦ 0.02 = 2% für das Verhältnis von Höhe h über der Wand zu Teilungsabstand s der
Drähte h/s ≧ 1; für kleinere Verhältnisse h/s ist der Drahtdurchmesser noch weiter zu verrin
gern. Bechert et al. (1997b) stellen experimentelle Untersuchungen vor, bei denen eine flache
Platte mit dünnen Nylondrähten bespannt wurde. Der Durchmesser der Drähte und der seitliche
Abstand wurden konstant gehalten; die Höhe über dem Boden wurde variiert. Unter diesen Um
ständen wurde eine maximale Widerstandsverminderung von 1.5% erreicht!
Die Riblets wirken nur am unteren Rand der turbulenten Grenzschicht. Dagegen erstreckt sich
der Wirkungsbereich der aktiven Techniken auf die gesamte Grenzschicht. Vermutlich ist darin
der deutlich unterschiedliche Erfolg der Widerstandsreduzierung zu suchen. Nachteilig bei den
aktiven Techniken ist jedoch (a) die kontinuierliche Energie- und/oder Stoffzufuhr und (b) der
beschränkte Einsatz auf flüssige Medien.
Die Druckschrift nach Kramer (1938) beinhaltet feine, beidseitig gespannte Drähte. Damit kann
sich der Draht nicht selbsttätig durch die angreifenden Kräfte innerhalb der turbulenten Strö
mung ausrichten.
Bei genügend großen Reynolds-Zahlen zeigt sich ein turbulenter Nachlauf an umströmten Kör
pern, wie beispielsweise am Zylinder, der den Hauptanteil des Widerstandsbeiwertes liefert. Es
ist von der Zylinderumströmung bekannt, daß eine Trennplatte im Nachlauf die Wirbelablösung
derart beeinflußt, daß der Widerstandsbeiwert erheblich gesenkt werden kann.
Der Strömungswiderstand eines umströmten Körpers wird durch die Nachlaufströmung, insbe
sondere durch die ablösenden Wirbel, stark beeinflußt.
Über die Verwendung von Tensiden (surfactants) in Flüssigkeiten bei einer plötzlichen Rohrer
weiterung berichten Imao et al. (1999) folgendes Resultat: Unter bestimmten Umständen führen
die beigemengten Zusätze zu einem größeren Druckrückgewinn (Reduzierung des Druckverlu
stes) als ohne Zusätze.
Der Einsatz von Zusätzen ist auf Flüssigkeiten beschränkt. Außerdem muß der Strömung konti
nuierlich ein Zusatz beigemengt werden.
Bartenwerfer M. & D. W. Bechert (1991) Die viskose Strömung über behaarten Oberflächen.
Zeitschrift für Flugwissenschaften und Weltraumforschung 15, Seite 19-26
Bechert, D. W.; M. Bruse; W. Hage; J. G. T. Van der Hoeven; G. Hoppe (1997a) Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry. J. Fluid Mech. 338, 59-87
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Coustols, E. & A. M. Savill (1989) Resume of important results presented at the Third Turbulent Drag Reduction Working Party. Applied Scientific Research 46, 183-196
Hackewitz, Friedrich-Wilhelm von: Verfahren zum Verzögern der Ablösung der Grenzschicht an einer von einem Strömungsmittel laminar angeströmten Wandung und Anwendung desselben. Deutsches Patentamt, DE 33 05 756 A1, F15D 1/12, Anmeldetag 19. Fe bruar 1983, Offenlegungstag 23. August 1984
Hänle, Ursula: Grenzschichtbeeinflussung von aerodynamischen Wirkungskörpern. Deutsches Patentamt, Offenlegungsschrift 19 23 633, Klasse 62a2, 21/10, Aktenzeichen P 19 23 633, Anmeldetag 9. Mai 1969, Offenlegungstag 3. Dezember 1970
Imao, S., Y. Kozato, T. Tanaka (1999) Flow characteristics of drag-reducing sufactant solution through a sudden expansion and a sudden contraction pipe. In: Proceedings of the 11th European Drag Reduction Working Meeting (Eds. Z. Chara, J. Poliert). Sep tember 15-17, 1999 in Prague, Czech Republic
Kecur, Josef: Oberflächenbeschichtung für aerodynamisch wirksame Teile. Deutsches Patent amt, Offenlegungsschrift DE 37 10 691 A1, F15D 1/10, Anmeldetag 31. März 1987, Offenlegungstag 13. Oktober 1988
Kramer, Max: Einrichtung zur Verminderung des Reibungswiderstandes. Reichspatentamt, Nr. 669897, Klasse 62b, Gruppe 4 08, Erteilung des Patentes am 15. Dezember 1938
Neubrand, Ulrich: Vorrichtung zur Verminderung von Ablösewirbeln an Strömungsendkanten. Deutsches Patentamt, Offenlegungsschrift DE 198 06 698 A1, F15D 1/10, Anmel detag 18. Februar 1998, Offenlegungstag 19. August 1999
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Kecur, Josef: Oberflächenbeschichtung für aerodynamisch wirksame Teile. Deutsches Patent amt, Offenlegungsschrift DE 37 10 691 A1, F15D 1/10, Anmeldetag 31. März 1987, Offenlegungstag 13. Oktober 1988
Kramer, Max: Einrichtung zur Verminderung des Reibungswiderstandes. Reichspatentamt, Nr. 669897, Klasse 62b, Gruppe 4 08, Erteilung des Patentes am 15. Dezember 1938
Neubrand, Ulrich: Vorrichtung zur Verminderung von Ablösewirbeln an Strömungsendkanten. Deutsches Patentamt, Offenlegungsschrift DE 198 06 698 A1, F15D 1/10, Anmel detag 18. Februar 1998, Offenlegungstag 19. August 1999
Walsh, J. M. (1990) Riblets. In "Viscous drag reduction in boundary layers" (Eds.: D. M. Bus hnell, J. N. Hefner). Progress in Astronautics and Aeronautics Vol. 123, 203-261
Die Aufgabe dieser Erfindung ist die Suche nach einer passiven Methode zur Beeinflussung der
turbulenten Grenzschicht, um diese anschließend mit den Vorteilen der aktiven Methoden zu
kombinieren, d. h. die Ausweitung auf den gesamten Bereich der Grenzschicht, und ohne Ein
schränkung auf flüssige oder gasförmige Fluide. Die erfindungsgemäße Lösung soll auf alle tur
bulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen anwendbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vor
teilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Erfindung erfolgt der Einsatz von glatten, feinen und flexiblen Haaren mit freiem Ende
zur Verminderung des Reibungswiderstandes mit einem Haardurchmesser I < d+ < 100
(d+ = d.uτ/ν) mit einem Optimum bei d+ ≅ 30. Die Anordnung der Haare erfolgt in einer
möglichst dichten Packung, in Reihenform, als Haarbüschel bei zu beeinflussenden örtlich kon
zentrierten turbulenten Strömungen oder Einzelwirbelstrukturen; Haarabstand s im Bereich
1 ≦ s/d < 10 mit Haardurchmesser d
Die Haarlänge L ist gleich oder unterschiedlich lang, je nach Anwendungsfall: (a) - in turbu
lenten Grenzschichten - gleiche Größenordnung wie die Grenzschichtdicke δ, d. h. im Bereich
von 10% < L/δ < 200%; (b) und (c) - Nachlauf von umströmten Körpern, Mischungsschichten
und Freistrahlen - deutlich länger als bei (a), etwa in der Größenordnung des umströmten Kör
pers bzw. dem vielfachen der typisch ablösenden Wirbeldurchmesser.
Der Unterschied zu Kramer (1938) werden anstelle von Drähten flexiblen Haaren verwendet.
Zweitens sind die Haarenden unterschiedlich befestigt. Anstatt den Draht zu spannen, d. h. beide
Enden zu fixieren, ist in der erfindungsgemäßen Lösung nur die Verankerung der stromauf lie
genden Seite vorgesehen. Damit kann sich das flexible Haar selbsttätig durch die angreifenden
Strömungskräfte in der Strömung ausrichten und ist nicht in eine wandparallele Lage einge
schränkt.
Gegenüber Hänle (1970) unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung in den Angaben zum
Haardurchmesser, zur Haarlänge, zur Haardichte und zum Haarquerschnitt. In Hackewitz (1984)
wird zwar eine Lösung vorgeschlagen, die für laminar umströmte Körper zur Verzögerung der
laminaren Grenzschichtablösung vorgesehen ist. Der physikalische Wirkungsmechanismus der
hier vorgeschlagenen Erfindung für turbulente Grenzschichten unterscheidet sich aber erheblich
vom laminaren Fall.
In Neubrand (1999) werden ähnlich der erfindungsgemäßen Lösung, und zwar im Nachlauf von
umströmten Körpern, Fasern bzw. Haare an Strömungsendkanten vorgesehen. Im Unterschied
dazu sind die haarförmigen Strukturen nicht in einer, sondern in mehreren Reihen, in Büscheln
bzw. flächenhaft (an der Oberfläche des umströmten Körpers) im gesamten Ablösegebiet ange
ordnet. Der Mindestabstand der haarförmigen Strukturen ist deutlich kleiner als das 0,1fache der
Faserlänge zu wählen; es ist eine möglichst dichte Haarpackung vorzuziehen (Haarabstand s im
Bereich 1 ≦ s/d < 10 mit Haardurchmesser d).
Durch die Erfindung wird in Strömungen je nach Einsatz der Reibungswiderstand, der Formwi
derstand und/oder der Druckverlust vermindert, es werden die Strömungsgeräusche reduziert,
und beim Einsatz im Nachlauf von umströmten Körpern wird bei partikelbeladenen Strömungen
die Verschmutzung verringert.
Darüber hinaus ist der Vorteil der Erfindung abhängig vom Einsatzfall. Handelt es sich um den
Einsatz in turbulenten Grenzschichten, so wird der Reibungswiderstand reduziert.
Wird die Erfindung am umströmten Körper im Nachlauf realisiert, so wird hier der Formwider
stand gesenkt und es ist mit einer Verringerung der Verschmutzung bei partikelbeladenen Strö
mungen zu rechnen.
Beim Einsatz der Erfindung bei plötzlichen Rohrerweiterungen und Diffusoren mit überkriti
schem Erweiterungswinkel wird der Druckverlust reduziert.
Durch den Einsatz von Haaren in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen können die
Strömungsgeräusche vermindert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den
Zeichnungen zeigen:
Abb. 1 eine Darstellung mit einer turbulenten Grenzschicht
Abb. 2 eine Darstellung der Erfindung im Nachlauf von umströmten Körpern
Abb. 3 eine weitere Darstellung der Erfindung im Nachlauf von umströmten Körpern
Abb. 4 eine weitere Darstellung der Erfindung im Nachlauf von umströmten Körpern
Abb. 5 eine weitere Darstellung der Erfindung im Nachlauf von umströmten Körpern
Abb. 6 eine Darstellung der Erfindung in Mischungsschichten
In turbulenten Grenzschichten (3) entsprechend der Abb. 1 wird das stromaufwärts liegende En
de des Haares (2a) in der festen Wand (1) verankert. Das andere, freie Ende des Haares (2b) ragt
unter einem flachen Winkel (durch die Strömung selbstregulierend eingestellt, etwa im Winkel
bereich von 0 Grad bis 45 Grad) bis zum oberen Rand der Grenzschicht (5). Damit wirken die
Haare innerhalb der gesamten turbulenten Grenzschicht (3) und nicht in der ungestörten Außen
strömung (4).
Zu den Abmessungen der Haare: Erstens, der Haardurchmesser ist in der gleichen Größenord
nung zu wählen wie der Durchmesser der, in Strömungsrichtung liegenden Wirbelstrukturen, die
in turbulenten Grenzschichten vorzufinden sind. Dessen Größe ist abhängig von der kinemati
schen Zähigkeit des Fluids v und der Wandschubspannungsgeschwindigkeit uτ in turbulenten
Grenzschichten; der Durchmesser berechnet sich zu d ≅ (i. . . .100).ν/uτ, das Optimum liegt bei
d ≅ 30.ν/uτ. Zweitens, der rechteckige Haarquerschnitt mit einem Seitenverhältnis von Höhe zu
Breite wie 3 zu 1 (siehe Abb. 7) kann durchaus effektiver sein als andere Querschnittsformen,
wie beispielsweise der runde Querschnitt. Drittens, die Haarlänge L richtet sich nach der Dicke
der Grenzschicht δ und liegt zwischen 10% < L/δ < 200%; es wird das 1,4fache der Grenz
schichtdicke vorgeschlagen. Viertens, die Haare sind in einer möglichst dichten Packung zu staf
feln. Dabei ist das Verhältnis von Haarabstand s zu Haardurchmesser d im unteren Teil des
Bereiches 1 ≦ s/d < 10 zu wählen.
Im Nachlauf von umströmten Körpern entsprechend der Abb. 2 bis 5 können Haare zur Vermin
derung des Widerstandes (Formwiderstand) eingesetzt werden. Dabei sind die Haare erheblich
länger als in der turbulenten Grenzschicht an der festen Wand zu wählen. Vorteilhaft ist dabei
die Anordnung der Haare nicht einzeln in einer Reihe, sondern in mehreren Reihen. Außerdem
sind die Haare in einem dichten Abstand anzuordnen (siehe auch im vorangegangen Absatz (a)).
Die Haarreihen sind teilweise (Abb. 2 und 3) oder vollständig (Abb. 4 und 5) im gesamten
Nachlauf anzuordnen.
Dabei ist ferner eine Reduzierung der Strömungsgeräusche und eine geringere Verschmutzung
bei partikelbeladenen Strömungen zu erwarten, weil die Ausbildung von Wirbeln in der Scher
schicht gehemmt wird.
In Abb. 6 sind Mischungsschichten ("mixing layer") und Freistrahlen ("jets") dargestellt.
Durch den Einsatz von Haaren wird die Wirbelbildung am äußeren Durchmesser des Freistrahls
bzw. in der Mischungsschicht behindert. Auch hierbei ist die Haarlänge deutlich größer als beim
Einsatz in turbulenten Grenzschichten zu wählen. Da die Mischungsschicht mit zunehmendem
Abstand vom Austritt anwächst, sind mehrere Haarreihen in radialer Richtung anzuordnen.
Ein praktischer Anwendungsfall wäre ein flexibler Diffusor. An der plötzlichen Erweiterung
wird ein ringförmiger Haarkreis angebracht, wobei die Haare in die turbulente Scherschicht rei
chen. Diese Überlegung gilt auch (1) für Strömungen in Rohren und Kanälen, bei denen von
einem kleinen auf einen großen Querschnitt gewechselt wird, und (2) für einen Kegeldiffusor mit
überkritischem Erweiterungswinkel.
1
feste Wand
2
a festes Ende des Haares
2
b freies Ende des Haares
3
turbulende Grenzschicht
4
ungestörte Außenströmung
5
oberer Rand der Grenzschicht
Y Wandabstand
δ Grenzschichtdicke
U zeitgemittelte Strömungsgeschwindigkeit
U∞
Y Wandabstand
δ Grenzschichtdicke
U zeitgemittelte Strömungsgeschwindigkeit
U∞
Geschwindigkeit in der ungestörten Außenströmung
Claims (8)
1. Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen, bestehend aus
einer Vielzahl von sehr dichten, vliesförmig gegliederten, flexiblen, glatten, in bzw. annä
hernd in Strömungsrichtung liegenden, haarförmigen Strukturen, wobei das stromaufwärts
weisende Ende auf der um- oder durchströmten Körperwand befestigt ist und das andere,
freie Ende durch die anliegenden Strömungskräfte selbsttätig ausgerichtet wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß die haarförmigen Strukturen aufweisen:
einen Durchmesser d ≅ (1. . .100).V/uτ mit v, der kinematischen Zähigkeit des Fluids, und uτ, der Wandschubspannungsgeschwindigkeit,
eine Länge L (a) in turbulenten Grenzschichten: im Bereich 10% < L/δ < 200% mit δ, der Grenzschichtdicke, und (b) im turbulenten Nachlauf, in Mischungsschichten und in Freistrahlen: mehrfaches der Abmaße der Wirbel, die sich ohne diese Anordnung ausbil den würde,
eine Strukturdichte 1 ≦ s/d < 10 mit Strukturabstand s und Durchmesser d.
einen Durchmesser d ≅ (1. . .100).V/uτ mit v, der kinematischen Zähigkeit des Fluids, und uτ, der Wandschubspannungsgeschwindigkeit,
eine Länge L (a) in turbulenten Grenzschichten: im Bereich 10% < L/δ < 200% mit δ, der Grenzschichtdicke, und (b) im turbulenten Nachlauf, in Mischungsschichten und in Freistrahlen: mehrfaches der Abmaße der Wirbel, die sich ohne diese Anordnung ausbil den würde,
eine Strukturdichte 1 ≦ s/d < 10 mit Strukturabstand s und Durchmesser d.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die haarförmigen Strukturen ei
nen rechteckigen Querschnitt mit Seitenverhältnis von Höhe zu Breite wie 3 zu 1 aufweisen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die haarförmigen Struktu
ren in flüssigen oder gasförmigen strömenden Medien eingesetzt werden.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die haarförmigen Strukturen
an umströmten Teilen von Fahrzeugen angebracht sind.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die haarförmigen Strukturen
in rohrförmigen durchströmten Bauteilen angebracht sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die haarförmigen Strukturen
an Fahrzeugen oder anderen umströmten Bauteilen im Bereich einer Nachlaufströmung an
gebracht sind.
7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die haarförmigen Strukturen
in durchströmten Bauteilen im Bereich einer Rohrerweiterung oder in Diffusoren mit einem
überkritischen Erweiterungswinkel angebracht sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die haarförmi
gen Strukturen aus textilen oder synthetischen Fasern gebildet werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10052022A DE10052022A1 (de) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen |
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DE10052022A DE10052022A1 (de) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen |
Publications (1)
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ID=7660442
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DE10052022A Withdrawn DE10052022A1 (de) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen |
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DE (1) | DE10052022A1 (de) |
Cited By (7)
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