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Technisches Gebiet
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Zur
Messung von Betriebsparametern, wie Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit,
werden Sensoren eingesetzt. Zum Schutz der Sensoren vor in der Strömung befindlichen
Feststoffpartikeln, die zur Zerstörung des Sensors führen können, sind diese
in Gehäusen
aufgenommen. Der meist rechteckförmige
Querschnitt der Gehäuse
ist aerodynamisch sehr ungünstig.
So können
sich entlang der Seitenflächen
des Gehäuses
Gebiete abgelöster Strömung ausbilden,
die große
Druckverluste und ein ungewolltes Pulsieren der Strömung bewirken.
Aus diesem Pulsieren resultieren wiederum Fehler in der Messung.
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Sensoren,
die zum Schutz vor in der Strömung
mitgerissenen Feststoffpartikeln in einem Gehäuse aufgenommen sind, sind
zum Beispiel Heißfilmluftmassensensoren,
wie sie zur Bestimmung der in einer Leitung strömenden Luftmasse eingesetzt werden.
Ein wichtiges Einsatzgebiet solcher Heißfilmluftmassensensoren ist
die Messung der Luftmasse im Ansaugkanal einer Verbrennungskraftmaschine.
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Aus
DE-A 102 30 531 ist ein Heißfilmluftmassensensor
bekannt, bei dem in einem Gehäuse
ein Messkanal ausgebildet ist, in welchem ein Sensor aufgenommen
ist. Der Messkanal zweigt dabei aus dem Eintrittsbereich in das
Gehäuse
ab, so dass im Fluid enthaltende Feststoffpartikel aufgrund ihrer Trägheit nicht
in den Messkanal gelangen können. Die
Feststoffpartikel strömen über eine
Ausscheidungszone, welche mit einer Austrittsöffnung versehen ist, wieder
aus dem Gehäuse
hinaus. Eine Einströmöffnung befindet
sich auf der Anströmseite
des Gehäuses.
An den die Einströmöffnung umschließenden Bereichen
der Anströmseite
staut sich die Strömung,
wird umgelenkt und umströmt
dann das Gehäuse.
Durch das Umlenken der Strömung
bilden sich an den Gehäuseseitenteilen
Gebiete aus, in denen sich die Strömung von den Gehäuseflächen ablöst. Dies
führt zu
einem zusätzlichen
Druckverlust im Bereich des Gehäuses.
Zusätzlich
können
Pulsationen entstehen, die die Messergebnisse des im Gehäuse befindlichen
Sensors verfälschen.
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Darstellung
der Erfindung
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Eine
strömungsgünstige Form
des Bauteiles führt
zu einer wesentlich größeren Länge des
Bauteiles als zum Beispiel eine strömungsungünstige Kastenform. Aus diesem
Grund ist es in vielen Anwendungsfällen nicht möglich, die
Anströmseite
des Bauteiles strömungsgünstig auszubilden,
weil hierzu nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht.
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Zur
Verkleinerung des Druckverlustes und zur besseren Reproduzierbarkeit
von Messungen umfasst die erfindungsgemäße Lösung ein Verfahren zur Verkleinerung
der Ablösezone
an umströmten Bauteilen,
wobei auf der angeströmten
Seite des Bauteils ein Einlassbereich angeordnet ist. In den Einlassbereich
einströmendes
Fluid tritt durch Öffnungen
im Bauteil, zumindest zum Teil, unter Bildung eines Freistrahls
quer zur Strömungsrichtung
aus.
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Der
quer zur Strömungsrichtung
austretende Freistrahl stört
die Strömung
um das Bauteil und wird gleichzeitig durch die Strömung abgelenkt.
Dies führt zur
Bildung von Wirbeln, die aus dem Bereich der abgelösten Strömung in
den Bereich der um das Bauteil herum ausgebildeten Strömung wirken.
Hieraus resultiert ein Impulsaustausch zwischen dem langsamen, wandnahen
Fluid, wobei die wandnahe Strömung
zumindest zum Teil abgelöst
ist, und dem wandfernen, schnellen Fluid, welches mit Umgebungsgeschwindigkeit
strömt.
Der Impulsaustausch führt
zu einer Vermischung, die wiederum zu einer Beschleunigung des Fluids
in der Ablösezone
und damit zu einer Verkleinerung oder einem Vermeiden des Ablösegebietes
führt.
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Bei
Heißfilmluftmassensensoren,
wie sie aus DE-A 102 30 531 bekannt sind, ist das umströmte Bauteil
das Gehäuse
des Sensors. Zur Verkleinerung oder Vermeidung der Ablösezone sind
die Öffnungen im
Gehäuse
hinter dem Einlassbereich und eine Austrittsöffnung aus der Ausscheidungszone
angeordnet.
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In
einer bevorzugten Verfahrensvariante sind die Öffnungen so ausgeführt, dass
der Freistrahl in einem Winkel zwischen 45° und 90° geneigt zur Anströmrichtung
austritt.
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Durch
den Winkel, in dem der Freistrahl austritt, lässt sich der Grad der Turbulenz,
die durch die Vermischung des Freistrahls mit der um das Bauteil herumgeführten Strömung induziert
wird, beeinflussen. So führt
ein entgegen der Hauptströmungsrichtung
austretender Freistrahl zu einer verstärkten Wirbelbildung und Turbulenz,
während
ein Freistrahl mit einer Strömungskomponente
in Richtung der Hauptströmungsrichtung
zu einer geringeren Wirbelbildung und Turbulenz führt.
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Eine
Neigung des Freistrahls quer zur Strömungsrichtung führt zu einer
Verminderung in einem breiteren Bereich, so dass das Ablösegebiet
auch in Bereichen in Anströmrichtung
neben den Öffnungen im
Bauteil, durch die der Freistrahl austritt, verkleinert wird. Dies
ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Einlassbereich nur
einen kleinen Teil der Anströmseite
einnimmt und so die Öffnungen,
durch die der Freistrahl austritt, ebenfalls nur in einem kleinen Bereich über die
Breite des Bauteils angeordnet sind.
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Das
Verfahren wird in einer Vorrichtung zur Verkleinerung der Ablösezone an
umströmten
Bauteilen durchgeführt,
wobei auf der angeströmten
Seite des Bauteils ein Einlassbereich angeordnet ist. Im Bauteil
sind in den Seiten, die parallel zur Anströmrichtung ausgereichtet sind, Öffnungen
angebracht, durch die zumindest ein Teil des durch den Einlassbereich
eingeströmten
Fluids austritt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Öffnungen,
durch die das Fluid austritt, als Bohrungen ausgeführt. Neben
dem kreisförmigen
Querschnitt von Bohrungen können
die Öffnungen
jedoch auch jeden beliebigen weiteren, dem Fachmann bekannten Querschnitt
annehmen. So können
die Öffnungen
zum Beispiel in Form eines Polygons mit mindestens drei Ecken oder
auch mit elliptischem Querschnitt ausgebildet sein. In einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform
ist mindestens eine Öffnung
in Form eines quer zur Anströmrichtung
ausgerichteten Schlitzes ausgebildet. Der Schlitz nimmt dabei vorzugsweise
die Breite des Einlassbereiches an.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind auf allen über-
beziehungsweise umströmten
Seiten des Bauteils Öffnungen
angeordnet, durch die ein oder mehrere Freistrahlen austreten. Insbesondere, um
an den Seitenflächen
auftreten Ablösungen
entgegenzutreten, werden dort Ausblasöffnungen für die Freistrahlen ausgebildet.
Hierdurch wird an der gesamten Geometrie des Bauteils die Ausbildung
von Ablösegebieten
vermieden.
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Zeichnung
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Im
Folgenden wir die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
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Hierin
zeigt:
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1 ein
umströmtes
Bauteil ohne Öffnungen,
durch die ein Freistrahl austritt, gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein
umströmtes
Bauteil, mit Öffnungen,
durch die ein Freistrahl austritt,
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3 einen
Schnitt durch ein Bauteil mit einem Messkanal und Öffnungen
durch die ein Freistrahlaustritt im Bereich des Einlassbereiches
erfolgt.
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Ausführungsvarianten
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1 zeigt
ein umströmtes
Bauteil ohne Öffnungen,
durch die ein Freistrahl austritt, gemäß dem Stand der Technik.
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Ein
Bauteil 1 ist so in einer Strömung angeordnet, dass diese
an einer Anströmfläche 2 auf
das Bauteil 1 auftrifft. Dies führt dazu, dass das Fluid in Form
einer Staupunktströmung 6 um
das Bauteil 1 herumströmt.
Dabei folgt das Fluid den mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichneten
Stromlinien. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
führt die
Umlenkung der Strömung
im Bereich der Staupunktströmung 6 dazu,
dass sich die Strömung
im Bereich der Seitenflächen 3,
welche vorzugsweise parallel zur Einströmrichtung 4 angeordnet
sind, ablöst.
Auch bei nicht exakt parallel zur Einströmrichtung 4 ausgerichteten
Seitenflächen 3 löst sich
die Strömung
bei ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit
ab, sobald an der Anströmseite
eine Staupunktströmung auftritt.
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Lediglich
bei strömungsgünstig geformtem Körper kommt
es zu keiner Strömungsablösung. Eine
strömungsgünstige Form
würde jedoch
in den meisten Fällen
mehr Platz beanspruchen, als Bauraum zum Einbau des Bauteils zur
Verfügung
steht.
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Durch
das Ablösen
der Strömung
entsteht an den Seitenflächen 3 des
umströmten
Bauteils 1 ein Ablösegebiet 7.
Die Begrenzung des Ablösegebietes 7 zur
ausgebildeten Strömung,
die das Bauteil umströmt,
ist durch die mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichneten
gestrichelten Linien markiert. Durch die zunehmende Höhe des Ablösegebietes
h nimmt insbesondere in Kanälen
der durchströmte
Querschnitt ab. Dies führt
zu einer Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit,
woraus gleichzeitig ein hoher Druckverlust und bei sich aufgrund
von Störungen
in der Strömung ändernder
Höhe h
des Ablösegebiets 7 ein
Pulsieren der Strömung
resultiert.
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2 zeigt
ein erfindungsgemäß ausgebildetes
umströmtes
Bauteil mit Öffnungen,
durch die ein Freistrahl austritt.
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Im
erfindungsgemäß ausgebildeten
Bauteil 1 befindet sich ein Einlaufbereich 11,
in welchen ein Teil des das Bauteil 1 umströmenden Fluids über einen
Einlassbereich 10 einer Kanalstruktur gelangt. Innerhalb
des Einlaufbereichs 11 staut sich die Strömung, woraus
eine Staupunktströmung 6 resultiert, bei
der das auf das Bauteil 1 auftreffende Fluid, welches entlang
der Anströmrichtung 4 strömt, entlang der
Stromlinien 5 um das Bauteil 1 herum umgelenkt wird.
Zur Verkleinerung oder Vermeidung des Ablösegebietes 7 sind
beim erfindungsgemäß ausgebildeten
Bauteil 1 Öffnungen 13 ausgebildet,
durch die das in den Einlassbereich einströmende Fluid in Form eines Freistrahls 14 zumindest
zum Teil wieder austritt. Der austretende Freistahl 14 wird
durch die Strömung
um das Bauteil 1 herum umgelenkt. Hierdurch bilden sich
Längswirbel 15 entlang
der Seitenflächen 3 aus.
Dadurch, dass der Freistrahl 14 eine Strömungskomponente
senkrecht zur Anströmrichtung 4 aufweist,
resultiert eine Vermischung des aus den Öffnungen 13 austretenden
Fluids mit dem das Bauteil 1 umströmenden Fluid. Diese Vermischung führt zu einer
Beschleunigung des Fluids im Ablösegebiet 7 und
damit zu einer Verkleinerung bzw. Vermeidung des Ablösegebietes.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Öffnungen 13 in
einem der Anströmseite
zugewandten Bereich des Bauteils 1 ausgebildet. Die Öffnungen 13 sind
vorzugsweise als Bohrungen ausgebildet, können aber auch jeden beliebigen
anderen, nicht kreisförmigen
Querschnitt annehmen.
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Neben
der in 2 dargestellten Ausrichtung der Öffnungen 13 senkrecht
zur Anströmrichtung 4,
können
die Seitenwände 30 der Öffnungen 13 auch
in einem Winkel im Bereich von bis zu 45° zur senkrechten Öffnungsachse 31 ausgebildet
sein. Bei über
den gesamten Umfang der Öffnung 13 parallel geneigten
Seitenwänden 30 wird
der Freistrahl so umgelenkt, dass er geneigt zur Senkrechten austritt. Bei
einer Neigung in oder entgegen der Strömungsrichtung resultiert hieraus
eine Geschwindigkeitskomponente in Anströmrichtung 4 oder entgegen
der Anströmrichtung 4.
Eine Komponente entgegen der Anströmrichtung 4 bewirkt
eine schnellere Vermischung des langsamen Fluids im Ablösegebiet 7 und des
schnellen, das Bauteil entlang der Stromlinien 5 umströmenden Fluids.
Gleichzeitig entsteht hieraus eine größere Turbulenz um das Bauteil 1.
Bei einer Neigung quer zur Anströmrichtung 4 erfolgt
die Vermischung über
einen breiteren Bereich des Bauteils 1. Hierdurch können auch
Ablösegebiete,
die sich neben der Öffnung l3 befinden
noch verkleinert werden.
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Eine
weniger starke Turbulenz und demzufolge weniger stark ausgeprägte Vermischung
der Strömung
im Ablösegebiet 7 und
der Strömung
entlang der Stromlinien 5 wird erreicht, wenn eine Strömungskomponente
der Strömung
aus der Öffnung l3 in
Richtung der Anströmrichtung 4 ausgebildet
ist.
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2 zeigt
ein Bauteil, welches entlang einer Symmetrieebene 16 symmetrisch
ausgebildet ist. Die Erfindung zur Vermeidung bzw. Verkleinerung des
Ablösegebietes 7 lässt sich
jedoch auch für
Bauteile 1 anwenden, welche nicht symmetrisch bezüglich einer
Symmetrieebene 16 ausgebildet sind.
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3 zeigt
einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Bauteil mit
darin aufgenommenem Messkanal. Das Bauteil 1 wird entlang der
mit den Pfeilen 4 markierten Anströmrichtung angeströmt. Ein
Teil des in das Bauteil einströmenden Fluids
gelangt über
den Einlassbereich 10 in den Einlaufbereich 11.
Aus dem Einlaufbereich 11 zweigt ein Messkanal 22,
in welchem ein Sensorträger 23 mit Sensor 24 angeordnet
ist, ab. Um zu vermeiden, dass mit dem Fluid mitgerissene Feststoffpartikel oder
bei einer Gasströmung
mitgerissene Flüssigkeitströpfchen in
den Messkanal 22 gelangen, schließt sich an den Einlaufbereich 11 in
Strömungsrichtung
eine Ausscheidungszone 17 an. Die Ausscheidungszone 17 mündet in
eine Ausscheidungsöffnung 18,
aus der das Fluid, welches die mitgerissenen Feststoffpartikel oder
Flüssigkeitströpfchen enthält, ausströmt. Die
Ausscheidungsöffnung 18 kann
aufgrund ihrer Position, die sich in Anströmungsrichtung 4 etwa
mittig auf den Bauteil 1 befindet, nicht dazu benutzt werden,
dass der aus ihr austretende Fluidstrom durch Vermischung mit der
Strömung
um das Bauteil 1 das Ablösegebiet 7 (vergleiche 2)
verkleinert. Zur Verkleinerung oder Vermeidung des Ablösegebietes 7 ist
es erforderlich, dass die Öffnungen 13,
durch welche das Fluid austritt, näher im Bereich der Anströmseite angeordnet sind.
Eine Position der Ausscheidungsöffnung 18 näher an der
Anströmseite
des Bauteils 1 lässt
sich nicht realisieren, da die Ausscheidungsöffnung 18 sonst nicht
mehr zur Ausscheidung von Feststoffpartikeln oder Flüssigkeitströpfchen aus
dem Bauteil 1 genutzt werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Bauteils 1 ist im Einlaufbereich 11 eine Trennwand 20 angeordnet,
welche so gegen die Anströmrichtung 4 geneigt
ist, dass das Fluid, welches in den Messkanal 22 strömt, immer
umgelenkt wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass keine Feststoffpartikel
oder Flüssigkeitströpfchen in
den Messkanal 22 gelangen können. Durch eine Verengung 21 und
damit verbundene Geschwindigkeitserhöhung bei gleich bleibenden Durchsatz
wird gewährleistet,
dass immer Fluid aus dem Einlaufbereich 11 in den Messkanal 22 nachströmt. In der
hier dargestellten Ausführungsform
ist der Messkanal 22 C-förmig ausgebildet, wobei ein Kanalabschnitt 25,
der in Strömungsrichtung
hinter den Sensor 24 angeordnet ist, so ausgebildet ist, dass
die Austrittsöffnung 26 in
einer parallel zur Anströmrichtung 4 liegenden
Seitenfläche 29 des
Bauteils 1 angeordnet ist. Durch die Anordnung der Austrittsöffnung 26 in
der Seitenfläche 29 des
Bauteils 1, bildet sich aufgrund der am Bauteil 1 entlang
gerichteten Strömung
im Kanalabschnitt 25 ein Unterdruck aus, wodurch ständig Fluid
durch den Messkanal 22 gesaugt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Sensor 24 im Messkanal 22 ein Heißfilmluftmassensensor,
mit dem die durch einen Kanal 28 strömende Luftmasse gemessen wird.
Durch eine vorzugsweise abgerundete Umströmungskante 27 wird gewährleistet,
dass das Ablösegebiet
entlang der Seitenfläche 29 nicht
direkt an der Umströmungskante 27 beginnt,
damit das Fluid mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit an der
Seitenfläche 29 entlang
strömt,
um einen ausreichenden Unterdruck im Kanalabschnitt 25 aufzubauen,
damit ständig
Fluid durch den Messkanal 22 strömt.
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Die Öffnungen 13,
durch welche das Ablösegebiet über die
in der Zeichenebene liegenden Seitenflächen verkleinert oder zu vermieden
wird, sind in der Darstellung gemäß 3 als Bohrungen
ausgeführt.
Um den Querschnitt, den das Bauteil im Kanal 28 einnimmt,
möglichst
gering zu halten, lässt
sich die Anströmfläche 2 im
Unterschied zur Umströmungskante 27 nicht
aerodynamisch ausbilden. Durch die Öffnungen 13 im Einlaufbereich 11 des Bauteils 1 lässt sich
dennoch ein aufgrund der Staupunktströmung am Bauteil 1 auftretendes
Ablösegebiet
entlang der Flächen
in Zeichenebene verkleinern oder vermeiden.
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- 1
- Bauteil
- 2
- Anströmfläche
- 3
- Seitenfläche
- 4
- Anströmrichtung
- 5
- Stromlinie
- 6
- Bereich
der Staupunktströmung
- 7
- Ablösegebiet
- 9
- Begrenzung
des abgelösten
Bereichs
- 10
- Einlassbereich
einer Kanalstruktur
- 11
- Einlaufbereich
- 12
- Strömungsrichtung
im Einlaufbereich
- 13
- Öffnung
- 14
- Freistrahl
- 15
- Wirbel
- 16
- Symmetrieebene
- 17
- Ausscheidungszone
- 18
- Ausscheidungsöffnung
- 19
- Messkanaleinlauf
- 20
- Trennwand
- 21
- Verjüngung
- 22
- Messkanal
- 23
- Sensorträger
- 24
- Sensor
- 25
- Kanalabschnitt
- 27
- Umströmungskante
- 28
- Kanal
- 29
- Seitenfläche
- 30
- Seitenwand
der Öffnung 13
- 31
- Öffnungsachse
- h
- Höhe des Ablösegebiets 7