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Die Erfindung betrifft eine Düse, insbesondere eine Auslassdüse eines Flugzeugdüsentriebwerks, ein Strukturelement zur Anordnung an einer Innen- oder Außenseite einer Düse sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Düse.
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Luftfahrzeugantriebe erzeugen im Betrieb beträchtliche Geräuschabstrahlungen, die für Passagiere und Umwelt zu Lärmbelastungen führen. Insbesondere während der Start- und Landephase des Luftfahrzeugs sind z. B. Anwohner im Umfeld von Flughäfen besonders betroffen. Prinzipiell können alle Komponenten eines Triebwerks Schallquellen sein, wobei eine Intensität der Geräuschabstrahlung von Triebwerk zu Triebwerk und von Betriebszustand zu Betriebszustand unterschiedlich sein kann. Eine wesentliche Lärmquelle ist jedoch die Düse oder Schubdüse des Triebwerks bzw. der durch diese Düse geführte Abgasstrahl.
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Der von dem Abgasstrahl erzeugte Strahllärm beinhaltet im Wesentlichen zwei Lärmquellen, einen so genannten Mischungslärm und einen so genannten stoßinduzierten Lärm. Der stoßinduzierte Lärm tritt im Wesentlichen bei Überschalldüsen auf und ist überwiegend bei militärischen Anwendungen relevant. Der Mischungslärm hingegen ist bei subsonischen bzw. bei Machzahlen bis MA=1 dominant und deshalb insbesondere auch für die zivile Luftfahrt relevant. Der Mischungslärm entsteht hierbei durch Mischungsprozesse in einer Scherschicht der Düse, wobei die Scherschicht gebildet wird, wenn eine an einer Innenseite der Düsenwand geführte Wandströmung an einer Düsenhinterkante mit einer an einer Außenseite der Düsenwand geführten Wandströmung zusammentrifft.
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Die
US 7,966,826 B2 offenbart ein Flugzeug, welches eine Auslassdüse eines Triebwerkes mit einer Auslassöffnung umfasst. Die Auslassöffnung weist einen Umfang auf, wobei der Umfang eine Vielzahl von Projektionen aufweist, die sich nach hinten erstrecken. Die Projektionen haben hierbei eine dreieckförmige Form, wobei eine Spitze hinter einer Basisregion angeordnet ist.
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Es stellt sich das technische Problem, eine Düse, insbesondere eine Auslassdüse eines Flugzeugdüsentriebwerkes, ein Strukturelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Düse zu schaffen, welche eine einfache Herstellung einer Düse ermöglichen, wobei eine Intensität des von der Düse erzeugten hörbaren Lärms während des Betriebs der Düse reduziert wird.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 9 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Düse, insbesondere eine Auslassdüse eines Flugzeugdüsentriebwerks, wobei die Düse mindestens eine Düsenwand oder Düsenwandung umfasst.
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Es ist eine Grundidee der Erfindung, dass an einer Innenseite und/oder an einer Außenseite der Düsenwand eine turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur angeordnet wird, die im Betrieb der Düse die entlang der entsprechenden Seite geführte Wandströmung verwirbelt. Die von diesen mittels der turbulenz- und/oder wirbelgenerierenden Struktur verwirbelten Strömungen bilden an einer Düsenhinterkante eine Scherschicht, die einen Mischungslärm erzeugt, wobei eine Schallenergie nicht mehr wie bei herkömmlichen Düsen in tieffrequenten und langwelligen Wirbeln, sondern in hochfrequenten und somit kurzwelligen Wirbeln enthalten ist. Von diesen hochfrequenten Wirbeln erzeugter Lärm ist hierbei nicht hörbar, sodass im hörbaren Bereich eine Lärmbelastung während des Betriebes der Düse reduziert wird.
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Erfindungsgemäß ist an einer Innenseite der Düsenwand eine turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur angeordnet. Eine turbulenzgenerierende Struktur bezeichnet hierbei eine Struktur, die einen turbulenten Anteil einer an der Struktur entlang geführten Strömung erhöht und einen laminaren Anteil verringert. Eine wirbelgenerierende Struktur bezeichnet hierbei eine Struktur, die vorbestimmte Wirbelstrukturen, insbesondere Längswirbel, in der an der Struktur vorbei geführten Strömung erzeugt. Längswirbel bezeichnen hierbei Wirbel, deren Wirbelachse parallel zu einer zentralen Längsachse der Düse orientiert ist.
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Weiter steht zumindest ein Teil der Struktur von der Düsenwand radial nach innen ab. Die Düse kann insbesondere rotationssymmetrisch um die zentrale Längsachse der Düse aufgebaut sein. In einem Querschnitt durch die Düse mit einer zur zentralen Längsachse senkrechten Schnittebene weist die Struktur in radialer Richtung hin zum Mittelpunkt eine vorbestimmte Höhe auf. Hierbei kann die Höhe entlang zumindest eines Teils eines Innenumfangs der Düsenwand konstant oder variabel sein. Somit ist zumindest ein Teil der an der Innenseite der Düsenwand angeordneten Struktur als von der Düsenwand erhabene Struktur ausgebildet.
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Alternativ oder kumulativ ist an einer Außenseite der Düsenwand eine turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur angeordnet, die von der Außenseite radial nach außen absteht. In einem Querschnitt durch die Düse mit einer zur zentralen Längsachse senkrechten Schnittebene weist die Struktur in radialer Richtung weg vom Mittelpunkt eine vorbestimmte Höhe auf. Somit ist zumindest ein Teil der an der Außenseite der Düsenwand angeordneten Struktur als von der Außenseite erhabene Struktur ausgebildet.
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Es ist möglich, dass die Düse eine erste Düsenwand zur Begrenzung bzw. Führung eines Kernstrahls und eine weitere Düsenwand zur Begrenzung bzw. Führung eines sogenannten Bypass-Strahls umfasst. Die vorgeschlagenen turbulenz- und/oder wirbelgenerierenden Strukturen können hierbei sowohl an Innenseiten der ersten und der weiteren Düsenwand als auch an Außenseiten der ersten und weiteren Düsenwand angeordnet sein.
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Die Anordnung von turbulenz- und/oder wirbelgenerierenden Strukturen ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Verwirbelung einer entlang der Innenseite und/oder entlang der Außenseite geführten Wandströmung im Betrieb der Düse, z. B. im Flugbetrieb. Wie vorhergehend erläutert, wird hierdurch der in einer sich an der Düsenhinterkante bildenden Scherschicht erzeugte Mischungsprozess derart beeinflusst, dass ein Anteil von tieffrequenten, langwelligen Wirbeln, die hörbaren Lärm erzeugen, verringert und ein Anteil von hochfrequenten, kurzwelligen Wirbeln erhöht wird. Somit kann eine Lärmbelastung im hörbaren Bereich durch die vorgeschlagene Düse in vorteilhafter Weise reduziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Höhe der Struktur in radialer Richtung von einer Grenzschichtdicke einer lokalen Strahlströmung durch die Düse abhängig. Eine Grenzschichtdicke ist hierbei als ein Abstand von der Innenseite der Düsenwand bzw. der Außenseite der Düsenwand definiert, an welchem die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Düse geführten Abgasstromes einen vorbestimmten Anteil, z.B. 99 %, einer zentralen Strömungsgeschwindigkeit erreicht hat. Die zentrale Strömungsgeschwindigkeit beschreibt hierbei beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit in der zentralen Längsachse der Düse und kann die maximale Geschwindigkeit der Strömung sein.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfach zu realisierende Konstruktion einer Düse, da ein Konstruktionsparameter der turbulenz- und/oder wirbelgenerierenden Struktur, nämlich deren Höhe, in Abhängigkeit von düsenbetriebsspezifischen Parametern, insbesondere einer Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit, gewählt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Struktur als zickzack-förmige Struktur ausgebildet. Eine zickzack-förmige Struktur kann beispielsweise durch einen Zackenabstand von auf einer gleichen Seite der zickzack-förmigen Struktur angeordneten Zacken und/oder durch einen Zackenwinkel und/oder durch eine Zackenbreite, also einem Abstand von auf gegenüberliegenden Seiten der zickzack-förmigen Struktur angeordneten Zacken, beschrieben werden. Die zickzack-förmige Struktur kann hierbei ring- oder hohlkegelförmig ausgebildet sein und sich entlang zumindest eines Teils eines Innenumfangs bzw. eines Außenumfangs der Düse erstrecken. Eine Zackenhöhe beschreibt hierbei die vorhergehend erläuterte Höhe der Struktur in radialer Richtung, wenn die zickzack-förmige Struktur an der Innenseite bzw. Außenseite angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine möglichst effektive Erzeugung von Turbulenzen und Längswirbeln im an der zickzack-förmigen Struktur vorbeiströmenden Abgasstrahl und somit eine effektive Reduktion von hörbarem Lärm.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Zackenhöhe in Abhängigkeit der Grenzschichtdicke der lokalen Strahlströmung gewählt. Insbesondere kann die Zackenhöhe in einem Bereich des 0,1-fachen bis 2,0-fachen der Grenzschichtdicke liegen.
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Alternativ oder kommutativ kann ein Zackenabstand in Abhängigkeit eines Innenumfangs der Düsenwand oder eines Außenumfangs der Düsenwand gewählt werden. Beispielsweise kann der Zackenabstand derart gewählt werden, dass 8 bis 16 Zacken entlang des Innen- bzw. Außenumfangs angeordnet sind. Alternativ oder kommutativ kann ein Zackenwinkel in einem Winkelbereich von 30° bis 90 ° liegen. Die vorhergehend erläuterten Konstruktionsparameter der zickzack-förmigen Struktur ermöglichen in vorteilhafterweise eine Ausbildung der zickzack-förmigen Struktur, die eine besonders effektive Reduktion des hörbaren Lärms während eines Betriebs der Düse ermöglicht.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Struktur als gekörnte Struktur ausgebildet. Unter einer gekörnten Struktur kann hierbei beispielsweise eine sandpapier- oder schleifpapierartige Struktur verstanden werden. Die gekörnte Struktur kann z. B. streifenförmig ausgebildet sein. In diesem Fall kann die gekörnte Struktur eine vorbestimmte Breite und eine vorbestimmte Maximalhöhe aufweisen. Ist die Struktur als gekörnte Struktur ausgebildet, so dient die Körnung zur Erzeugung von Turbulenzen in einer entlang der gekörnten Struktur geführten Strömung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Korngröße oder mittlere Korngröße von Körnern der gekörnten Struktur in Abhängigkeit der vorhergehend erläuterten Grenzschichtdicke der lokalen Strahlströmung gewählt. Insbesondere kann eine Korngröße in einem Bereich vom 0,05-fachen bis 0,5-fachen der Grenzschichtdicke gewählt sein.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine möglichst effektive Erzeugung von Turbulenzen und somit eine effektive Reduktion von hörbarem Lärm.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein in Strahlströmungsrichtung hinteres Ende der Struktur mit einem vorbestimmten Abstand von einer Düsenhinterkante beabstandet angeordnet. In diesem Fall werden Turbulenzen und/oder Wirbel in Strahlströmungsrichtung vor der Düsenhinterkante, an der die Innenseite der Düsenwand mit der Außenseite der Düsenwand zusammengeführt wird, erzeugt.
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Hierbei ist möglich, dass die Struktur eine vorbestimmte Breite aufweist, wobei die Breite ein Abmaß in Strahlströmungsrichtung entlang der entsprechenden Seite bezeichnet.
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Der Abstand von der Düsenhinterkante kann, insbesondere im Falle einer zickzack-förmigen Struktur, beispielsweise aus einem Bereich, der Abstände größer 0 bis zum 2-fachen des vorhergehend erläuterten Zackenabstandes umfasst, gewählt werden.
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Durch das damit im Betrieb erreichte, frühzeitige Erzeugen von Turbulenzen und/oder Wirbeln kann in vorteilhafter Weise eine möglichst effektive Lärmreduktion erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform schließt ein in Strahlströmungsrichtung hinteres Ende der Struktur mit der Düsenhinterkante ab. Hierbei ist also die Struktur in Strahlströmungsrichtung am hinteren Ende der Düse, also am Auslass der Düse, angeordnet und erstreckt sich mit einer vorbestimmten Breite der Struktur in die Düse hinein.
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Hierdurch ergibt sich ein möglichst einfaches Anbringen und Ausrichten der Struktur in einer z. B. konventionell vorhandenen Düse.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Strukturelement zur Anordnung an einer Innenseite oder Außenseite einer Düsenwand einer Düse, insbesondere eine Auslassdüse eines Flugzeugtriebwerks.
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Erfindungsgemäß ist das Strukturelement derart ausgebildet, dass es eine erste turbulenz- und oder wirbelgenerierende Struktur ausbildet, wenn es an einer Innenseite der Düsenwand derart angeordnet wird, dass es von dieser Innenseite der Düsenwand radial nach innen absteht. Alternativ kann das Strukturelement derart ausgebildet sein, dass es eine turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur ausbildet, wenn es an einer Außenseite der Düsenwand derart angeordnet wird, dass es von der Außenseite der Düsenwand radial nach außen absteht. Insbesondere kann das Strukturelement zickzack-förmig ausgebildet sein oder eine gekörnte Struktur aufweisen.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Strukturelement, welches nachträglich in einer beispielsweise bereits vorhandenen Düse eines Flugzeuges angeordnet werden kann, wodurch in einfacher Weise eine effektive Lärmreduktion erreicht wird.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Düse, insbesondere einer Auslassdüse eines Flugzeugdüsentriebwerks. Hierbei wird mindestens eine erste turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur bereitgestellt, beispielsweise in Form eines vorhergehend beschriebenen Strukturelements. Die mindestens erste turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur wird an einer Innenseite der Düsenwand derart angeordnet, dass sie von der Düsenwand radial nach innen absteht und sich entlang zumindest eines Teils eines Innenumfangs der Düsenwand erstreckt. Alternativ oder kumulativ wird mindestens eine weitere turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur bereitgestellt, wobei die mindestens eine weitere turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur an einer Außenseite der Düsenwand derart angeordnet wird, dass sie von der Düsenwand radial nach außen absteht und sich entlang zumindest eines Teils eines Außenumfangs der Düsenwand erstreckt.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein möglichst einfaches Verfahren zum insbesondere nachträglichen Ausrüsten einer beispielsweise bereits vorhandenen Düse mit einer turbulenz- und/oder wirbelgenerierenden Struktur, sodass eine Lärmerzeugung während des Betriebs der Düse deutlich reduziert werden kann.
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Die Erfindung wird an Hand mehrerer Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine Düse,
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2 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Düse,
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3 einen Querschnitt durch die in 2 dargestellte Düse,
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4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Düse,
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5 eine schematische Darstellung einer zickzack-förmigen Struktur und
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6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Düse.
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In 1 ist ein schematischer Querschnitt einer Düse 1 dargestellt. Der Querschnitt verläuft hierbei in einer Querschnittsebene, die senkrecht zu einer zentralen Längsachse 2 der Düse 1 orientiert ist, wobei zentrale Längsachse 2 in einer Richtung aus der Zeichenebene heraus orientiert ist. Die Düse 1 umfasst eine Düsenwand 3. An einer Innenseite der Düsenwand 3 ist eine erste turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur 4 angeordnet, die von der Düsenwand 3 radial nach innen absteht und in dieser radialen Richtung eine erste Höhe h1 aufweist. An einer Außenseite der Düsenwand 3 ist eine weitere turbulenz- und/oder wirbelgenerierende Struktur 5 angeordnet, die von der Außenseite radial nach außen absteht und eine weitere Höhe h2 aufweist. Hierbei ist dargestellt, dass die Höhen h1, h2 entlang eines Innenumfangs bzw. Außenumfangs der Düsenwand 3 konstant ist. Auch erstreckt sich die erste Struktur 4 entlang des gesamten Innenumfangs der Düsenwand 3 und die weitere Struktur 5 entlang des gesamten Außenumfangs der Düsenwand 3. Selbstverständlich ist es vorstellbar, dass die Höhen h1, h2 entlang des Innenumfangs bzw. des Außenumfangs variieren und/oder die Strukturen sich nur entlang eines Teils des Innen- bzw. Außenumfangs erstrecken.
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Die Höhen h1, h2 der Strukturen 4, 5 sind abhängig von einer Grenzschichtdicke einer Strahlströmung gewählt, die entlang der Innenseite der Düsenwand 3 bzw. entlang der Außenseite der Düsenwand 3 strömt.
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In 2 ist eine perspektivische Darstellung einer weiteren Düse 1 dargestellt. Die Düse 1 umfasst eine erste Düsenwand 6 zur Führung eines Kernstroms und eine weitere Düsenwand 7 zur Führung eines sogenannten Bypass-Stromes. Dargestellt sind weiter zickzack-förmige Strukturen 8, die an Innenseiten der ersten und der weiteren Düsenwand 6, 7 und an Außenseiten der ersten und der weiteren Düsenwand 6, 7 angeordnet sind. Dargestellt ist weiter eine zentrale Längsachse 2 und eine Strahlströmungsrichtung von einem durch die Düse 1 strömenden Abgasstrahl, die durch einen Pfeil 9 symbolisiert ist.
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In 3 ist ein seitlicher Querschnitt durch die in 2 dargestellt Düse 1 dargestellt. Hierbei ist ersichtlich, dass die zickzack-förmigen Strukturen 8 radial von der Innenseite der ersten Düsenwand 6 und der weiteren Düsenwand 7 nach innen und von der Außenseite der ersten und der weiteren Düsenwand 6, 7 nach außen abstehen. Eine Zackenhöhe bezeichnet hierbei die Höhe der zickzackförmigen Struktur in radialer Richtung, die im Fall der an den Innenseiten angeordneten zickzack-förmigen Strukturen 8 nach innen, also hin zur zentralen Längsachse 2, und im Fall der an den Außenseiten angeordneten zickzack-förmigen Strukturen 8 nach außen, also weg von der zentralen Längsachse 2, orientiert ist. Dargestellt sind auch Scherschichten 10, die sich in Strahlströmungsrichtung 9 hinter einer Düsenhinterkante 11 aus den an der Außenseite und der Innenseite entlang geführten Wandströmungen bilden. Diese Scherschichten 10 bzw. die darin vorhandenen Turbulenzen erzeugen den vorhergehend beschriebenen Mischlärm.
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In 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Düse 1 dargestellt. Die Düse 1 umfasst eine Düsenwand 3 und eine zickzack-förmige Struktur 8, wobei die zickzack-förmige Struktur 8 in Strahlströmungsrichtung 9 mit einem vorbestimmten Abstand a von einer Hinterkante 11 der Düse 1 bzw. der Düsenwand 3 beabstandet angeordnet ist. Hierbei ist dargestellt, dass in Strahlströmungsrichtung 9 hintere Zacken der zickzack-förmigen Struktur 8, insbesondere die von diesen Zacken ausgebildeten Spitzen, mit dem vorbestimmten Abstand a von der Düsenhinterkante 11 beabstandet angeordnet sind.
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In 5 ist eine schematische Darstellung einer zickzack-förmigen Struktur 8 dargestellt. Insbesondere ist ein Zackenabstand t dargestellt, der den Abstand zwischen zwei auf einer gleichen Seite der zickzack-förmigen Struktur 8 aufeinanderfolgenden Zackenspitzen bezeichnet. Auch dargestellt ist ein Zackenwinkel γ, der den von den Schenkeln, die eine Zackenspitze ausbilden, eingeschlossenen Winkel beschreibt. Auch dargestellt ist eine Zackenbreite c, die einen Abstand von zwei entlang der zickzack-förmigen Struktur 8 aufeinanderfolgenden, jedoch auf gegenüberliegenden Seiten der zickzack-förmigen Struktur 8 angeordneten Zackenspitzen bezeichnet. Weiter dargestellt ist eine Stegbreite b der zickzackförmigen Struktur 8. Nicht dargestellt ist eine Höhe der zickzack-förmigen Struktur 8, die in 5 als Höhe der zickzack-förmigen Struktur 8 entlang einer Richtung, die in die Zeichenebene hineindeutet, beschrieben werden kann. Diese Höhe kann in Abhängigkeit der lokalen Grenzschichtdicke bestimmt werden. Für die Höhe ergibt sich z. B. h = (0,1...2,0) × dGS Formel 1 wobei dGS die Grenzschichtdicke bezeichnet. Für die Zackenabstand t gilt z. B. t = (1/8...1/16) × U Formel 2 wobei U den Umfang der Düsenwand 3, 6, 7 (siehe z.B. 1 und 3) entlang der Innenseite bzw. Außenseite bezeichnet. Für den Zackenwinkel γ gilt beispielsweise γ = 30°...90° Formel 3
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Für den vorbestimmten Abstand a (siehe z.B. 4) gilt beispielsweise a = (0.2) × t Formel 4 wobei t der vorhergehend erläuterte Zackenabstand t ist.
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In 6 ist eine Düse 1 in einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Hierbei ist ein Streifen 12 an einer Innenseite einer Düsenwand 3 angeordnet, wobei der Streifen 12 eine gekörnte Struktur aufweist oder ausbildet. Eine Korngröße k bzw. mittlere Korngröße kann dann entsprechend k = (0,05...0,5) × dGS Formel 5 gewählt werden, wobei dGS wiederum die Grenzschichtdicke bezeichnet.
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Die z. B. in 1 dargestellten Strukturen 4, 5 steigern eine Turbulenz in einer Grenzschichtströmung entlang der Innenseite bzw. Außenseite der Düsenwand 3, 6, 7 und erhöhen somit eine Mischungsverteilung in den Scherschichten 10 (siehe 1 und 3). Zum Beispiel wird eine zickzack-förmige Struktur 8 (siehe z. B. 2) die Mischung in der Scherschicht 10 verstärkt und der Mischungslärm im hörbaren Bereich deutlich reduziert.
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Die zickzack-förmige Struktur 8 kann beispielsweise als bandförmiges Strukturelement ausgebildet sein und nachträglich in einer Düse 1 angeordnet werden. Diese sorgt dafür, dass die Strömungen vorzeitig turbulenter wird. Auch kann mittels der zickzack-förmigen Struktur 8 gezielt eine gewünschte Turbulenz erzeugt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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