DE10052022A1 - Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen - Google Patents

Anordnung zum Einsatz in turbulenten Scherschichten und Wirbelstrukturen

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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
Zu (1) - turbulenten Grenzschichten
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.
Zu (2) - Nachlauf von umströmten Körpern
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.
Zu (3) - Mischungsschichten und Freistrahlen
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.
Quellen
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
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.
Bezugszeichenliste
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∞
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.
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.
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