DE102008022504A1

DE102008022504A1 - Schaltbarer Vortexgenerator und damit gebildetes Array sowie Verwendungen derselben

Info

Publication number: DE102008022504A1
Application number: DE102008022504A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Dr.-Ing. Neitzke; Karin Dr.rer.nat. Bauer; Christian Bolzmacher; Winfried Dipl.-Phys. Kupke
Original assignee: Airbus Operations GmbH; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-05-08
Also published as: US9650124B2; US20100018322A1; US20140186180A1; DE102008022504B4; US8616494B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vortexgenerator (10), insbesondere für ein Strömungskanalmodell (12). Um bei der Entwicklung von Fahrzeugen, wie insbesondere Luftfahrzeugen, Entwicklungszeit, insbesondere Windkanalmesszeit, zu sparen, wird vorgeschlagen, den Vortexgenerator (10) schaltbar zu gestalten. Weiter betrifft die Erfindung verschiedene Verwendungen eines solchen schaltbaren Vortexgenerators (10) insbesondere in Strömungskanalmodellen sowie bei Strömungskanalversuchen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vortexgenerator sowie unterschiedliche Verwendungen desselben.
Ein Vortexgenerator (auch Turbulator oder Turbulenzgenerator genannt) bezeichnet in der Aerodynamik eine kleine künstlich aufgebrachte Oberflächenstörung, die Wirbel in einer an einer Oberfläche vorbeifließenden Strömung erzeugen soll. Beispielsweise wird mit einem Vortexgenerator einem drohenden Strömungsabriss kontrolliert vorgebeugt. Vortexgeneratoren sind beispielsweise auf einer Tragflächenoberseite von Flugzeugen zu finden. Ein Beispiel für eine Anordnung von Vortexgeneratoren an einem Flügelprofil ist in der WO 00/15961 näher erläutert.
Vortexgeneratoren finden aber auch Anwendung in Strömungskanalmessverfahren, beispielsweise in Windkanalversuchen zur Messung der Akustik unterschiedlicher Fahrzeugkonfigurationen, beispielsweise unterschiedlicher Luftfahrzeugkonfigurationen. Bei Messungen im Windkanal verhindern Vortexgeneratoren an entsprechenden Fahrzeugmodellen, beispielsweise Flugzeugmodellen, mit der zu untersuchenden Konfiguration das Entstehen von einzelnen Tönen, die an den Originalen nicht auftreten würden.
Wird dagegen die Aerodynamik und nicht die Akustik der zu untersuchenden Konfiguration im Windkanal gemessen, sind die Vortexgeneratoren störend. Aerodynamikmessungen werden daher ohne Vortexgeneratoren durchgeführt.
Momentan werden die Vortexgeneratoren manuell aufgebracht und auch wieder entfernt. Bei kombinierten Aerodynamik- und Akustikmessungen müssen die Vortexgeneratoren immer wieder aufgebracht und entfernt werden.
In bisherigen Strömungskanalversuchen sind aufklebbare Vortexgeneratoren – diese werden auch als „Tripping tage” oder „Turbulenzbänder” bezeichnet – verschiedener Struktur üblich. Ein Hauptnachteil besteht in der Umbauzeit, die man benötigt, um die Vortexgeneratoren immer wieder aufzubringen und zu entfernen.
Man hat bereits verschiedene Anstrengungen übernommen, um die Präparationszeiten zum Präparieren eines Windkanalmodells für Windkanalversuche zu verringern. Bei der DE 10 2006 018 133 A1 sowie der WO 2007/118628 A1 wird hierzu eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Testklebestreifenrolle zur Sichtbarmachung von Luftströmen vorgeschlagen, mittels der Testklebestreifen sowie darauf aufgebrachte Fadenstücke schneller zur Anbringung auf Windkanalmodelle zur Verfügung stehen. Allerdings muss auch hier der Testklebestreifen mit den daran angebrachten Fadenstücken auf das Modell aufgebracht werden. Die Handhabung von Vortexgeneratoren an einem Modell wird nicht erwähnt.
In der Entwicklung von Luftfahrzeugen wie insbesondere Flugzeugen werden bei typischen Windkanaluntersuchungen viele unterschiedliche Luftfahrzeugkonfigurationen, also beispielsweise Flugzeugkonfigurationen, untersucht. Dies können derzeit bis zu zehn Konfigurationen am Tag sein. Für jede Konfiguration wird eine Aerodynamikmessung und eine Akustikmessung durchgeführt. Dies hat die Konsequenz, dass man die Vortexgeneratoren oft aufbringen und entfernen muss. Dadurch geht viel Zeit verloren, die man ansonsten zur Messung verwenden könnte.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vortexgenerator zur Verfügung zu stellen, mit dem die Entwicklung neuer Fahrzeug- und Luftfahrzeugkonfigurationen wesentlich schneller und einfacher erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch einen schaltbaren Vortexgenerator, insbesondere für ein Strömungskanalmodell, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Vorteilhafte Verwendungen des schaltbaren Vortexgenerators sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Vorzugsweise kann der Vortexgenerator von außen ohne Unterbrechung eines Strömungskanalbetriebes ein- und ausgeschaltet werden. Hierdurch werden Stillstandzeiten vermieden.
Bei einer anderen Ausgestaltung kann der Vortexgenerator durch Darüberfahren mit einem starken Permanentmagneten oder auch durch andere äußere Krafteinwirkung, beispielsweise durch mechanische Krafteinwirkung, geschaltet werden, ohne jedoch das Vortexgenerator-Trägermaterial von einem Modell entfernen zu müssen. Vorteil dieser Variante ist die Abwesenheit von elektrischen oder fluidischen Leitungen zu dem Modell, die sonst zum Schalten des Vortexgenerators benötigt würden.
Insgesamt lassen sich mit schaltbaren Vortexgeneratoren insbesondere aeroakustische Untersuchungen im Windkanal oder sonstigen Strömungskanal schneller durchführen. Weiterhin ist die Position des jeweiligen Vortexgenerators gut reproduzierbar, weil er an Ort und Stelle verbleiben kann.
Die beschriebenen adaptiven oder schaltbaren Vortexgeneratoren können natürlich auch nur zu Beeinflussung der Strömung, also auch bei fertigen Fahrzeug- und Luftfahrzeugmodellen im Betrieb oder in rein aerodynamischen Versuchen eingesetzt werden. Beispielsweise lassen sich auch mit den schaltbaren Vortexgeneratoren, wie bei den bekannten Vortexgeneratoren Strömungsablösungen verzögern. Der Einsatz der Vortexgeneratoren kann dann natürlich abhängig vom jeweiligen Fahrt- oder Flugzustand sein. Zum Beispiel können die Vortexgeneratoren auch ausgeschaltet werden, wenn ihr Beitrag zum Widerstand zu groß wird.
Eine vorteilhafte Verwendung des Vortexgenerators betrifft eine Wirbelerzeugungsvorrichtung mit einer Anordnung mehrerer solcher schaltbarer Vortexgeneratoren. Beispielsweise ist ein ganzes Feld mit schaltbaren Vortexgeneratoren an einer Oberfläche eines zu untersuchenden Objektes oder an einem sonstigen umströmten Körper vorgesehen. Ein solches Feld oder Array mit Vortexgeneratoren, die sich vorzugsweise gemeinsam schalten lassen, hat gleich mehrere Vorteile und mögliche Verwendungen.
Zur Vereinfachung und Beschleunigung aerodynamischer und aeroakustischer Versuche ist es zweckmäßig, Felder von Vortexgeneratoren zu haben, bei denen die Vortexgeneratoren sich ausfahren und wieder einziehen lassen. Dadurch kann man bei Windkanalversuchen ohne zusätzliche Umbauzeiten mit und ohne Vortexgeneratoren messen.
Dagegen werden bei typischen Aerodynamikmessungen im Windkanal keine Vortexgeneratoren benutzt; diese wären oft zur Messung des aerodynamischen Verhaltens des zu untersuchenden Körpers störend. Vortexgeneratoren sind dagegen für eine Reihe von Akustikmessungen notwendig, da sie bei den Messungen im Windkanal an Modellen das Entstehen von einzelnen Tönen verhindern, die an den Originalen nicht auftreten würden. Daher werden momentan die Vortexgene ratoren bei solchen Versuchen manuell aufgebracht und auch wieder entfernt. Bei kombinierten Aerodynamik- und Akustikmessungen werden die Vortexgeneratoren immer wieder aufgebracht und entfernt.
Vortexgeneratoren und daraus gebildete Wirbelerzeugungsvorrichtungen können aber auch an Originalfahrzeugen, insbesondere Originalluftfahrzeugen, zur gezielten Strömungsbeeinflussung eingesetzt werden. Beispielsweise kann an Originalflugzeugen eine Wirbelerzeugungsvorrichtung dazu dienen, bei Start und Landung Ablösung der Strömung zu vermeiden. Werden Originalflugzeuge mit schaltbaren Vortexgeneratoren versehen, so können diese im Reiseflug eingefahren werden, um keinen zusätzlichen Widerstand zu erzeugen. Hierdurch lässt sich eine nicht unerhebliche Menge an Treibstoff einsparen.
Das Array aus schaltbaren Vortexgeneratoren kann sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Wird nur ein Umschlag der laminaren Strömung in eine turbulente Strömung benötigt, so können die einzelnen Vortexgeneratoren stochastisch verteilt sein und auch in Größe und Form variieren. Dadurch werden wie beim klassischen „Transition tage” ungeordnete Turbulenzen erzeugt.
In einer anderen Ausgestaltung werden die Vortexgeneratoren in einer geordneten Anordnung angebracht und/oder hergestellt. Beispielsweise können die Vortexgeneratoren in periodischen Abständen zueinander angeordnet sein. Hinter solchen geordneten Vortexgenerator-Strukturen entstehen dann im Nahbereich geordnete Wirbelfelder. Durch geeignete Anordnung können z. B. bestimmte Frequenzbereiche des Spektrums hervorgehoben oder unterdrückt werden. Gezielte Wirbelfelder lassen sich durch spezielle Formen und/oder durch die Größenverhältnisse der Wirbelerzeugungselemente der einzelnen Vortexgeneratoren beeinflussen.
In bevorzugter Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße schaltbare Vortexgeneratoren ein schaltbares Wirbelerzeugungselement auf. Dieses lässt sich vorzugsweise in wenigstens zwei Zuständen schalten:

1) In einem ausgefahrenen Zustand sind die Vortexgeneratoren aktiv und erzeugen eine turbulente Grenzschicht, und
2) in einem eingezogenen Zustand bleibt die Strömung laminar.

Vorzugsweise ist das Wirbelerzeugungselement hierzu an einer Halteeinrichtung angeordnet, die das Wirbelerzeugungselement in eine erste Stellung und in eine zweite Stellung bewegen kann und die zwischen diesen beiden Stellungen hin- und herschaltbar ist.
Der Vortexgenerator hat vorzugsweise wenigstens einen stabilen Schaltzustand. Ein stabiler Zustand ist dadurch gekennzeichnet, dass er ohne Energiezufuhr beibehalten wird. Beispielsweise ist die Halteeinrichtung derart ausgebildet, dass das Wirbelerzeugungselement in der ersten Stellung bleibt, wenn keine Energie zugeführt wird. Hierzu kann insbesondere eine Vorspanneinrichtung zum Halten des Wirbelerzeugungselements in die erste Stellung vorgesehen sein. Die Vorspanneinrichtung kann in einer konkreten Ausgestaltung magnetisch, elektrostatisch, elektrodynamisch oder mechanisch wirken. Beispielsweise könnte ein Blattfederelement oder dergleichen oder ein Magnet vorhanden sein.
Gemäß einer Ausgestaltung mit einer monostabilen Anordnung befindet sich der Vortexgenerator ohne Energiezufuhr im eingefahrenen Zustand und wird durch Energiezufuhr ausgefahren. Bei einer alternativen monostabilen Anordnung ist ein stabiler ausgefahrener Zustand und ein energetisierter eingefahrener Zustand vorgesehen.
Der Vortexgenerator kann wenigstens ein oder auch zwei stabile Schaltzustände haben. Bei einem bistabilen Aufbau bestehen beide Schaltzustände ohne Energiezufuhr. Beispielsweise wird das Wirbelerzeugungselement sowohl im ausgefahrenen als auch im eingefahrenen Zustand ohne Energiezufuhr gehalten. Nur zum Wechsel der Zustände ist dann ein Energieimpuls nötig. Dies kann in konkreter Ausgestaltung durch eine entsprechend bistabile Vorspanneinrichtung erreicht werden. Beispielsweise sind jedem Zustand Haltemagnete zugeordnet. In einer anderen Ausgestaltung ist ein bistabiles, insbesondere mechanisches Federelement vorgesehen. Auch Mischformen sind denkbar.
Vorzugsweise ist ein Schaltmechanismus vorgesehen, mit der der Vortexgenerator zwischen seinen wenigstens zwei Schaltzuständen vorzugsweise signalgesteuert hin- und herschaltbar ist. Bei einem Array von schaltbaren Vortexgeneratoren lassen sich diese vorzugsweise gemeinsam schalten.
Es kann auch eine Variation mit abgewandelten Schaltmechanismus geben. Demnach gibt es bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ferromagnetische und permanentmagnetische Bereiche, welche bei Auslenkung einander berühren und mit einer hohen Kraft aneinander haften. Diese Kraft bleibt bis zum Auftreten einer externen trennenden Kraft erhalten. Beispielsweise lässt sich diese externe Kraft durch einen externen über das Array von Vortexgeneratoren streichenden Permanentmagneten erzeugen.
Allgemein kann der Schaltmechanismus zur Realisierung der Zustandsumschaltung verschiedene Aktorprinzipien einsetzen. Es können elektromagnetische Schalter, piezoelektrische Schalter, elektrostatische Schalter, pneumatische Schalter, hydraulische Schalter, thermomechanische Schalter oder auch Mischformen eingesetzt werden. Wie eben erläutert können auch entsprechend bewegliche Permanentmagneten als Aktorprinzip eingesetzt werden.
Unabhängig von dem Aktorprinzip ist ein prinzipieller allgemeiner Aufbau der schaltbaren Vortexgeneratoren bevorzugt. Vorzugsweise ist eine Deckmembran vorgesehen, die eine möglichst glatte Oberfläche bereit stellt. In einer Ausgestaltung kann diese Deckmembran elastisch ausgebildet sein und durch darunter liegende Aktoren ausgebeult oder entsprechend bewegt werden. In einer anderen möglichen Ausgestaltung sind in der Deckmembran Durchbrüche geeigneter Geometrie eingearbeitet, um das Einfahren und Ausfahren der Wirbelgeneratoren zu erlauben.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung kann unterhalb einer solchen Deckmembran eine Generatormembran oder Aktormembran vorgesehen sein, die zwischen den wenigstens beiden Stellungen bewegbar ist und ein Hauptbestandteil der Halteeinrichtung bildet. Auf der Aktormembran kann das Wirbelerzeugungselement angebracht sein. Zwischen der Aktormembran und der Deckmembran kann ein Abstandshalter vorhanden sein, der einen Zwischenraum zwischen Deckmembran und Aktormembran sicherstellt, innerhalb dem sich die Aktormembran bewegen kann. Auch kann unterhalb der Aktormembran ein weiterer Abstandshalter vorhanden sein, der einen unteren Zwischenraum zwecks Bewegungsmöglichkeit zur Verfügung stellt. Als unterer Abschluss kann beispielsweise eine Trägermembran dienen. Ein durch mehrere Membrane gebildeter flexibler Aufbau lässt sich an unterschiedliche zu untersuchende Körper und Oberflächen anpassen. Daher ist die Verwendung von Membranen bevorzugt. Als eigentliche Wirbelgeneratoren – Wirbelerzeugungselemte – kann eine Auswahl verschiedener geometrischer Strukturen zur Anwendung kommen. Möglich sind kreisförmige, ellipsoide, rechteckige, quadratische, dreieckige und polygonale Strukturen. Beispielsweise können die Wirbelerzeugungselemente auch die Form von Chevrons, also winkelförmige oder doppelwinkelförmige Strukturen, haben. Das Array von schaltbaren Vortexgeneratoren der Wirbelerzeugungsvorrichtung kann aus Wirbelerzeugungselementen einer einzigen Geometrie bestehen oder aus Mischungen. Die Anordnung im Array kann periodisch sein oder statistisch verteilt.
Eine bevorzugte Herstellweise eines Arrays aus Vortexgeneratoren beinhaltet Erzeugung der Vortexgeneratoren aus photolithografisch strukturiertem Lack. Alternativ werden die Generatoren durch Abformprozesse als metallische Strukturen hergestellt.
In Windkanalversuchen können dann umströmte Körper eingesetzt werden, die mit solchen schaltbaren Vortexgeneratoren versehen sind. Das Ein- und Ausschalten der Vortexgeneratoren kann bei laufendem Windkanal erfolgen. So können bei identischen Strömungsverhältnissen sowohl aerodynamische Messungen als auch akustische Messungen durchgeführt werden, ohne dass dazwischen der Windkanal angehalten oder gebremst werden muss. Diese Messungen können mehrmals hintereinander wiederholt werden, um so genauere Messergebnisse zu erhalten.
Als umströmter Körper wird vorzugweise ein Modell eines Luftfahrzeuges für Windkanalversuche verwendet, welches mit mehreren schaltbaren Vortexgeneratoren versehen ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine vergrößerte Schnittansicht eines Oberflächenbereiches eines umströmten Körpers am Beispiel eines Flugzeugmodells mit einem schaltbaren Vortexgenerator in einem allgemeinen Aufbau;
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des Vortexgenerators;
3 eine entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Vortexgenerators;
4 eine entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform des Vortexgenerators;
5 eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Vortexgenerators;
6 eine schematische Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform des Vortexgenerators, wobei in 6a diese Ausführungsform ohne und in 6b mit zusätzlicher Beschichtung dargestellt ist und wobei ein möglicher stabiler zweiter Zustand gestrichelt dargestellt ist;
7 eine Darstellung vergleichbar derjenigen von 6 für eine sechste Ausführungsform eines schaltbaren Vortexgenerators in einer passiven Ausgestaltung ohne (7a) und mit Beschichtung (7b);
8 eine Darstellung vergleichbar derjenigen der 2 und 3 für eine siebte Ausführungsform des schaltbaren Vortexgenerators;
9 eine schematische Schnittansicht einer achten Ausführungsform eines schaltbaren Vortexgenerators in einer ersten Stellung;
10 eine Darstellung der achten Ausführungsform in einer zweiten Stellung;
11 eine perspektivische schematische Darstellung eines Schaltmechanismus einer neunten Ausführungsform eines schaltbaren Vortexgenerators; und
12–15 unterschiedliche Darstellungen verschiedener Abwandlungen der achten Ausführungsform des schaltbaren Vortexgenerators.
Im folgenden wird anhand der 1 zunächst ein allgemeiner Aufbau eines insgesamt mit 10 bezeichneten schaltbaren Vortexgenerators näher erläutert. 1 zeigt den oberflächennahen Bereich eines umströmten Körpers, der hier Z. B. durch ein in einem Windkanal (nicht näher dargestellt) zu untersuchendes Flugzeugmodell 12 dargestellt wird. Das Flugzeugmodell 12 hat an seiner durch die Windkanalströmung 14 umströmten Oberfläche 16 ein Array von Vortexgeneratoren 10, von denen jeweils nur einer näher dargestellt ist. Benachbarte identisch aufgebaute Vortexgeneratoren 10 sind durch die Angabe der Bezugszeichen 10 links und rechts der gezeigten Struktur angedeutet. Das Array bildet eine Wirbelerzeugungsvorrichtung 11 mit mehreren gemeinsam schaltbaren Vortexgeneratoren 10.
Der Vortexgenerator 10 hat ein Wirbelerzeugungselement 18, welches mittels einer Halteeinrichtung 20 zwischen einer ersten Stellung – ausgefahrener Zustand – und einer zweiten Stellung – eingefahrener Zustand – bewegbar ist.
Der Vortexgenerator 10 hat eine Deckmembran 22, die die möglichst glatte Oberfläche 16 herstellt. In diese Deckmembran 22 ist pro Vortexgenerator 10 wenigstens ein Durchbruch 24 geeigneter Geometrie eingearbeitet, um das Einfahren und Ausfahren des Wirbelerzeugungselements 18 zu erlauben. Die Halteeinrichtung 20 weist eine bewegliche Aktormembran 26 auf, die das geometrisch zum Durchbruch 24 der Deckmembran 22 passende Wirbelerzeugungselement 18 trägt. Durch eine Auslenkung der Aktormembran 26 ist das Wirbelerzeugungselement 18 durch die Deckmembran 22 hindurch ausfahrbar, oder es kann in diese hinein zurückgezogen werden. Zum Bewegen der Aktormembran 26 sind Aktoren 28 vorgesehen.
Zwischen der Aktormembran 26 und der Deckmembran 22 ist eine erste Abstandshalteeinrichtung 30 vorgesehen, welche einen Zwischenraum zwischen Deckmembran 22 und Aktormembran 26 zur Verfügung stellt. Den unteren Abschluss des Vortexgeneratoraufbaus gegenüber dem Modellkörper bildet eine Trägermembran 32. Zwischen der Trägermembran 32 und der Aktormembran 26 ist eine zweite Abstandshalteeinrichtung 34 vorgesehen, um einen unteren Bewegungsraum – Zwischenraum 82 – für die Aktormembran 26 zur Verfügung zu stellen.
Bei dem gezeigten beispielhaften Aufbau ist eine Trägerschicht 36 vorgesehen, die mittels eines Klebers 38 auf den Grundkörper 40 des Flugzeugmodells 12 geklebt ist.
In den 2, 3 und 4 sind drei Ausführungsbeispiele des Vortexgenerators 10 dargestellt, bei denen elektromagnetische Antriebe 42 als Aktoren 28 vorgesehen sind.
Auf der Deckmembran 22, der Aktormembran 26 und/oder der Trägermembran 32 können jeweils durch Mikrostrukturierungen Spulensysteme 44 realisiert werden. In den Ausführungsbeispielen gemäß den 2–4 weisen die Spulensysteme 44 Planarspulen 46 auf. Diese sind bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 und bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit permanent magnetischen Kernen 48 oder ferromagnetischen Kernen 50 versehen. Die Spulenwicklungen sind in einer Trennschicht 52 aufgenommen.
Fließt ein Strom durch diese Spulen 46, so wird die Aktormembran 26 ausgelenkt. Je nach Flussrichtung des Stromes werden die Wirbelerzeugungselemente 18 eingezogen oder ausgefahren.
Bei der Herstellung können zusätzlich permanent magnetische und weichmagnetische Strukturen – hier dargestellt durch die permanent magnetischen Kerne 48 und die ferromagnetischen Kerne 50 – erzeugt werden, die ein Haften der Aktormembran 26 im ausgelenkten Zustand auch ohne Stromfluss bewirkt. Die zusätzliche Trennschicht 52 kann gegebenenfalls zu einer reduzierten Haftung zwischen permanent magnetischen und ferromagnetischen Strukturen führen, welche das Umschalten erleichtert. Ein impulsartiger Strom durch die Spulen bewirkt das Umschnappen von einem Zustand in den anderen.
Die erste Ausführungsform gemäß 2 zeigt hierbei einen für einen bistabilen Zustand möglichen Aufbau. Die variabelste Umschaltmöglichkeit bietet ein elektromagnetischer Antrieb mit eingelegten magnetisch aktiven Schichten. Der Aufbau der Planarspulen 46 und auch des Vortexgenerators 10 insgesamt und insbesondere des Wirbelerzeugungselements 18 kann vorteilhaft in MEMS-Technologien realisiert werden.
Es müssen aber nicht alle in 2 gezeigten Elemente des elektromagnetischen Antriebes ausgeführt werden. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Vortexgenerators mit einer reduzierten Form, wo die Spulensysteme 44 nur auf einer Seite der Aktormembran 26 vorhanden sind. Dieser Aufbau ist weniger aufwändig, jedoch sind die erreichbaren Schaltkräfte geringer. Ohne Stromfluss befindet sich die Aktormembran 26 mit dem Wirbelerzeugungselement 18 in Ruhe. Strom durch die Planarspulen 46 in geeigneter Richtung führt zu einer Anziehung zwischen den Planarspulen 46, bis der permanent magnetische Kern 48 der einen Spule und die ferromagnetische Struktur der anderen Spule sich berühren und haften. Diese Haftung bleibt erhalten, wenn der Stromfluss endet. Ein erneuter Stromfluss mit veränderter Polarität kann zu Abstoßung zwischen den Spulen führen, so dass die Haftung überwunden wird und die Folie der Aktormembran 26 zurückschwenkt. Wird der Strom abgeschaltet, geht die Aktormembran 26 mit dem Wirbelerzeugungselement 18 wieder zurück in die Ruhelage.
In 4 ist noch eine einfachere Version dargestellt. Diese ergibt sich aus der in 3 dargestellten Ausführung, wenn die magnetischen Strukturen – Kerne 48, 50 – weggelassen werden. Bei dem Aufbau gemäß der dritten Ausführungsform wie in 4 gezeigt, kann das Wirbelerzeugungselement 18 durch Stromfluss in den Spulen versenkt werden. Ohne Strom federt das Wirbelerzeugungselement in ihre Ruheposition zurück.
Eine nicht näher dargestellte Ausführungsform des Vortexgenerators 10 mit elektrostatischen Antrieb ergibt sich aus dem in 1 dargestellten allgemeinen Aufbau durch Verwenden von elektrostatischen Aktoren 28. Auf der Deckmembran 22, der Aktormembran 26 und der Trägermembran 32 können durch Mikrostrukturierung Kondensatorplatten mit einer dünnen dielektrischen Isolationsschicht realisiert werden. Liegen geeignete Potentiale an diesen Platten an, so wird die Aktormembran 26 ausgelenkt. Je nach Potential der Platten werden die Wirbelerzeugungselemente 18 eingezogen oder ausgefahren. Eine bistabile Anordnung ist hier zwar theoretisch möglich, wegen der Verluste der Dielektrika in der Praxis aber nur schwer umsetzbar.
Eine weitere nicht näher dargestellte Ausführungsform des Vortexgenerators 10 mit einem piezoelektrischen Antrieb ergibt sich durch Verwendung von piezoelektrischen Aktoren als Aktoren 28 in dem allgemeinen Aufbau von 1. Auf die Aktormembran 26 werden hierzu piezoelektrische Schichten und metallische Elekt roden aufgetragen. Eine angelegte Spannung bewirkt eine Wölbung der Aktormembran 26 in eine geeignete Richtung.
5 zeigt eine konkrete vierte Ausführungsform des Vortexgenerators 10 mit hubverstärkten piezoelektrischen Antrieb 54. Diese Ausführungsform des Vortexgenerators 10 weist eine große Piezomembran 56 an der Unterseite einer mit Flüssigkeit gefüllten Kavität 58 auf. Die Begrenzungen 60 der Kavität 58 lassen an der Oberseite eine gegenüber der Fläche der Piezomembran 56 kleinere Öffnung 62 offen, die durch einen flexiblen Bereich der Deckmembran 64 verschlossen ist. Durch die direkte Übertragung der mittels der Piezomembran 56 eingeleiteten Volumenänderung über das Fluid ist eine Hubverstärkung an dem flexiblen Bereich 64 der Deckmembran erreichbar. Die Piezomembran 56 kann auch bistabil ausgelegt sein, wobei zwischen zwei definierten Zuständen gewählt werden kann: Vortexgenerator AN oder AUS. Zum Schalten wird das Piezomaterial verwendet.
In 6 sind zwei Abwandlungen einer Ausführungsform des schaltbaren Vortexgenerators 10 mit piezoelektrischem Antrieb, jedoch ohne Hubverstärkung dargestellt. Zum Bilden dieses unverstärkten piezoelektrischen Antriebes 66 ist die Aktormembran 26 bistabil – bistabile Membran 76 – ausgeführt. Auf der Aktormembran 26 befindet sich das Wirbelerzeugungselement 18. Geschaltet wird zwischen den beiden Zuständen mit Piezokristallen 68. Die Aktormembran 26 selbst kann auch aus einem beliebigen Material sein. Die Eistabilität – z. B. „Knackfroscheffekt” – lässt sich durch die geometrische Form der Membran 26, 76 erzeugen. Die ausgefahrene Stellung ist in 6 jeweils gestrichelt dargestellt. Solche Membranen kann man z. B. gut aus Metallen oder Metalllegierungen herstellen. Eine lokale Vorspannung oder lokale Krümmung kann man auch auf Kunststoff oder Halbleiter durch Aufbringen einer Beschichtung 70 und anschließendes Strukturieren der Schichten erreichen, wobei die strukturierten Beschichtungen 70 lokale mechanische Spannungen erzeugen. Eine geschlossene elastische Schicht 78 kann zum Bilden der glatten Oberfläche 16 vorgesehen sein. 6a zeigt eine Ausführung ohne und 6b eine Ausführung mit dieser elastischen Schicht 78.
Ausgehend von dem Aufbau gemäß den 6a und 6b kann man auch einen passiv schaltbaren Vortexgenerator realisieren, wie er in den 7a und 7b dargestellt ist. Dabei ist der piezoelektrische Antrieb 66 der Ausführungsform von 6 durch einen passiven magnetischen Antrieb 72 ersetzt. Der passive magnetische Antrieb 72 weist einen kleinen Permanentmagneten 74 auf, der auf der bistabilen Membran 76 befestigt ist. In dem dargestellten Beispiel bildet der Permanentmagnet 74 das Wirbelerzeugungselement 18. In anderen, nicht näher dargestellten Ausgestaltungen ist der Permanentmagnet 74 Teil des Wirbelerzeugungselements 18 oder ist an anderer Stelle, beispielsweise auf der Rückseite befestigt.
Bei dem magnetischen Antrieb, wie er beispielsweise in den 7a und 7b dargestellt ist, lässt sich das Schalten zwischen den beiden Zuständen durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes erreichen. Geschaltet wird z. B. indem man einen weiteren (starken) Permanentmagneten von außen über die bistabile Membran 76 mit dem kleinen Permanentmagneten und/oder der Wirbelerzeugungselement 18 führt. Dabei wirken auf den Permanentmagneten 74 anziehende oder abstoßende Kräfte, die zum Schalten der bistabilen Membran 76 genutzt werden können.
Vorteil dieses Aufbaus ist die einfache Realisierung. Nachteil ist die Notwendigkeit des manuellen Schaltens, beispielsweise während Versuchen im Windkanal. Mit signalgesteuerten Aktoren 28 kann ein Schalten von außen geschehen. Nachteile bei dieser aktiven Schaltmöglichkeit ist die Notwendigkeit, Leitungen zur Signal- und/oder Energieübertragung zu den einzelnen Vortexgenerator 10 führen zu müssen.
Wie in den 6b und 7b dargestellt, können die Vortexgeneratoren der Ausführungsformen mit den bistabilen Membranen 76 so ausgeführt werden, dass die gesamte Tragstruktur beim eingefahrenen Zustand der bistabilen Membran 76 mit der elastischen Schicht 78 überdeckt wird und somit eine glatte Fläche in diesem eingefahrenen Zustand hat. Im gestrichelt dargestellten ausgefahrenen Zustand wird diese Fläche dann durch den Antrieb oder den Antrieb und ein wahlweise vorhandenes Wirbelerzeugungselement 18 deformiert.
In 8 ist eine weitere Ausführungsform des Vortexgenerators 10 mit pneumatischem oder allgemeiner fluidischen Antrieb dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem allgemeinen Aufbau gemäß 1 dadurch, dass eine Druckleitung 80 zu dem Zwischenraum 82 zwischen der Trägermembran 32 und der Aktormembran 26 geführt ist. Dadurch lässt sich in die Kavität zwischen der Trägermembran 32 und der Aktormembran 26 ein Überdruck oder Unterdruck einleiten, der die Aktormembran 26 aufwölbt oder einbiegt. Dabei kann als Druckmedium Luft oder ein anderes geeignetes Fluid verwendet werden.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform des Vortexgenerators 10 dargestellt, welche eine weitere Entwicklung des Vortexgenerators mit pneumatischen Antrieb darstellt. Dieser Vortexgenerator weist keinen gesonderten Körper als Wirbelerzeugungselement 18 auf. Anstelle einer einfachen Aktormembran 26 ist eine gefaltete Membran 84 vorgesehen. Die gefaltete Membran 84 ist beispielsweise durch Mikroprägung entstanden und kann eine Elastomerfolie 68, eine oder mehrere Plattformen 88 sowie Versteifungsstrukturen 29 aufweisen, die ein gezieltes Verformen der gefalteten Membran 84 bei Einleiten eines Überdruckes in den Zwischenraum 82 zwischen der gefalteten Membran 84 und der Trägermembran 32 sicherstellen. In 10 ist ein ausgelenkter Zustand bei Zufuhr eines entsprechenden Überdruckes dargestellt. Demgemäss bezeichnet die Bezugsziffer 92 in 9 ein Fluid mit Unterdruck und die Bezugsziffer 94 in 10 ein Fluid mit Ü berdruck. Die 12–15 zeigen weitere schematische Darstellungen dieser grundsätzlichen Ausführungsform mit Pneumatikantrieb bzw. Hydraulikantrieb.
In 11 ist noch ein möglicher thermomechanischer Antrieb für den Vortexgenerator 10 dargestellt. Hierzu werden auf der Aktormembran 26 Heizstrukturen 96 erzeugt und mit Formstrukturen aus Bimetall oder aus Formgedächtnislegierungen bedeckt. Ein selektives Beheizen der Strukturen bewirkt eine Hufwölbung oder Abwölbung der Aktormembran 26. Die 11 zeigt eine mögliche mikromechanische Doppelspirale 98 aus Formgedächtnislegierung, die gleichzeitig als Heizwendel – Heizstruktur 96 – arbeitet. Durch Erwärmung fährt die Doppelspirale 98 aus.

10: Vortexgenerator
11: Wirbelerzeugungsvorrichtung
12: Flugzeugmodell
14: Strömung
16: Oberfläche
18: Wirbelerzeugungselement
20: Halteeinrichtung
22: Deckmembran
24: Durchbruch
26: Aktormembran
28: Aktor
30: erste Abstandshalteeinrichtung
32: Trägermembran
34: zweite Abstandshalteeinrichtung
36: Trägerschicht
38: Kleber
40: Grundkörper
42: elektromagnetischer Antrieb
44: Spulensysteme
46: Planarspule
48: permanentmagnetischer Kern
50: ferromagnetischer Kern
52: Trennschicht
54: hubverstärkter piezoelektrischer Antrieb
56: Piezomembran
58: Kavität
60: Begrenzungen
62: Öffnung
64: flexibler Bereich der Deckmembran
66: piezoelektrischer Antrieb
68: Piezokristall
70: Beschichtung
72: passiver magnetischer Antrieb
74: Permanentmagnet
76: bistabile Membran
78: elastische Schicht
80: Druckleitung
82: Zwischenraum
84: gefaltete Membran
86: Elastomerfolie
88: Plattform
90: Versteifungsstruktur
92: Fluid mit Unterdruck
94: Fluid mit Überdruck
96: Heizstrukturen
98: Doppelspirale

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 00/15961 [0002]
- DE 102006018133 A1 [0007]
- WO 2007/118628 A1 [0007]

Claims

Schaltbarer Vortexgenerator (10), insbesondere für ein Strömungskanalmodell.
Vortexgenerator (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zwischen wenigstens zwei Stellungen hin und her bewegbares Wirbelerzeugungselement (18).
Vortexgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelerzeugungselement (18) als Profilelement mit einem der folgenden geometrischen Profilstrukturen ausgebildet ist: • kreisförmig, • ellipsoid, • rechteckig, • quadratisch, • dreieckig, • polygonal oder • chevronförmig.
Vortexgenerator nach Anspruch 2 oder 3, zur Anordnung an einer strömungswirksamen Oberfläche (16), wobei das Wirbelerzeugungselement (18) zur Erzeugung von Wirbeln in einer im Bereich der Oberfläche (16) fließenden Strömung (14) geeignet ist, und mit einer Halteeinrichtung (20) für das Wirbelerzeugungselement (18), die derart beweglich ausgeführt ist, dass sie das Wirbelerzeugungselement (18) zumindest in einer ersten Stellung und in einer von der ersten Stellung unterschiedlichen zweiten Stellung im Bereich der Oberfläche (16) halten kann.
Vortexgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (20) zum Halten des Wirbelerzeugungselements (18) in einer aus der Oberfläche (16) ausgefahrenen Position und in einer in die Oberfläche (16) eingefahrenen Position fähig ist.
Vortexgenerator nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (20) derart ausgeführt ist, dass das Wirbelerzeugungselement (18) in der ersten Stellung ohne Energiezufuhr verbleibt.
Vortexgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (20) eine Vorspanneinrichtung zum Vorspannen des Wirbelerzeugungselements (18) in die erste Stellung aufweist.
Vortexgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung wenigstens einen Magneten (48, 50) und/oder wenigstens ein elektrostatisches, elektrodynamisches und/oder mechanisches Federelement (26, 76) aufweist.
Vortexgenerator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (20) derart ausgeführt ist, dass das Wirbelerzeugungselement (18) auch in der zweiten Stellung ohne Energiezufuhr verbleibt.
Vortexgenerator nach Anspruch 8 und nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung wenigstens einen ersten Magneten (48, 50) zum Festhalten des Wirbelerzeugungselements (18) in der ersten Stellung und wenigstens einen zweiten Magneten (48, 50) zum Festhalten des Wirbelerzeugungselements (18) in der zweiten Stellung aufweist.
Vortexgenerator nach Anspruch 8 und nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Federelement (76) bistabil ausgeführt ist.
Vortexgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (20) durch Krafteinwirkung von außen zwischen den beiden Stellungen schaltbar ist.
Vortexgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteeinrichtung (20) wenigstens ein Magnet (74) derart zugeordnet ist, dass sie durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes von der ersten Stellung in die zweite Stellung und/oder umgekehrt bewegbar ist.
Vortexgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (20) eine zwischen den wenigstens zwei Stellungen bewegbare Aktormembran (26) aufweist, auf welcher das Wirbelerzeugungselement (18) angebracht ist.
Vortexgenerator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schaltmechanismus (28) zum Ein- und/oder Ausschalten des Vortexgenerators (10).
Vortexgenerator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltmechanismus (28) signalgesteuert ist.
Vortexgenerator nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltmechanismus wenigstens einen Aktor (28) aus einer Gruppe von Aktoren (28) aufweist, die elektromagnetische Aktoren, piezoelektrische Aktoren, elektrostatische Aktoren, pneumatische Aktoren, hydraulische Aktoren, permanentmagnetische Aktoren und thermoelektrische Aktoren umfasst.
Vortexgenerator nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Deckmembran (22), die eine im wesentlichen glatte Oberfläche (16) hat, welche durch eine mittels des Vortexgenerators (10) zu beeinflussende Strömung (14) anströmbar ist.
Vortexgenerator nach Anspruch 18, soweit auf Anspruch 2 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckmembran (22) einen Durchbruch (24) hat, durch welche das Wirbelerzeugungselement (18) aus- und einfahrbar ist.
Wirbelerzeugungsvorrichtung zur Anordnung an einer angeströmten oder umströmten Oberfläche, gekennzeichnet durch eine Anordnung von mehreren Vortexgeneratoren (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Wirbelerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortexgeneratoren (10) periodisch verteilt angeordnet sind.
Wirbelerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortexgeneratoren (10) statistisch verteilt angeordnet sind.
Wirbelerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Vortexgeneratoren (10) Wirbelerzeugungselemente (18) mit unterschiedlicher Profilgeometrie haben.
Umströmter Körper (12), gekennzeichnet durch einen Vortexgenerator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und/oder eine Wirbelerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23.
Körper nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Bauteil eines Luftfahrzeuges oder ein Versuchsmodell (12) eines Luftfahrzeuges ist.
Strömungskanalmessverfahren zur Aerodynamik- und/oder Akustikmessung an Fahrzeugen, insbesondere an Luftfahrzeugen, gekennzeichnet durch Verwendung eines Vortexgenerators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, einer Wirbelerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23 und/oder eines umströmten Körpers (12) nach einem der Ansprüche 24 oder 25.
Strömungskanalmessverfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertoxgenerator oder die Vortexgeneratoren (10) zur Akustikmessung eingeschaltet und zur Aerodynamikmessung ausgeschaltet werden.