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Die Erfindung betrifft eine Strömungssteuerungsvorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung an einer strömungsdynamischen Fläche eines strömungsdynamischen Profilkörpers. Weiter betrifft die Erfindung einen strömungsdynamischen Profilkörper mit einer im Betrieb von einer Fluidströmung angeströmten und/oder umströmten strömungsdynamischen Fläche. Weiter betrifft die Erfindung ein Strömungssteuerungsverfahren zum Beeinflussen einer Strömung an einer strömungsdynamischen Fläche eines strömungsdynamischen Profilkörpers.
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Insbesondere betrifft die Erfindung ein Aktorsystem zur Beeinflussung von Strömungen zur Reduzierung oder Erhöhung des Strömungswiderstandes.
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Zum technologischen Hintergrund und zum Verständnis der Erfindung und deren vorteilhaften Ausgestaltungen wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:
- [1] http://www.die-vier-liter-flieger.de/de/die-vier-liter-flieger/
- [2] https://de.wikipedia.org/wiki/Vestas_V164-8.0
- [3] http://www.wind-energie.de/infocenter/technik/funktionsweise/aerodynamikrotorblaetter
- [4] http://daten.didaktikchemie.unibayreuth.de/umat/wellen_mechanisch/wellen_mechanisch.htm
- [5] http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2601118
- [6] http://www-brs.ub.ruhr-unibochum.de/netahtml/HSS/Diss/SprynchakVitaliy/diss.pdf
- [7] R. Tuckermann, S. Bauerecker - Wie akustische Kaltgasfallen wirken. „Tannenbäume" im stehenden Ultraschallfeld; in Chemie in unserer Zeit, Volume 42, Issue 6, pages 402-407, Dezember 2008
- [8] http://www.olympus-ims.com/en/ndt-tutorials/transducers/inside/
- [9] http://scitation.aip.org/contentlaip/journal/pof2/19/4/10.1063/1.2717527
- [10] http://de.wikipedia.org/wiki/Absaugen/Ausblasen_der_Grenzschicht
- [11] L. Duan, M. M. Choudhari - Effects of Riblets on Skin Friction in High-Speed Turbulent Boundary Layers; 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, January 9-12, 2012, Nashville, Tennessee
- [12] M. I. Mukut, H. Mizunuma, O Hiromichi - Flow Separation Control Using Plasma Vortex Generator; 10th International Conference on Mechanical Engineering, ICME 2013; Procedia Engineering 90 (2014) 232 - 237; http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705814029713/pdf? md5=010ad92800bfdcd9a359b2c2dc8f2a1e&pid=1-s2.0-S 1877705814029713-main. pdf
- [13] http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online
- [14] DE 10 2008 006 832 A1
- [15] DE 10 2008 017 963A1
- [16] DE10 2008 022 504 B4
- [17] EP 0 955 235 B1
- [18] EP 2 272 753 A1
- [19] WO 2014 023 951 A1
- [20] EP 2 223 853 A1
- [21] http://de.wikipedia.org/wiki/Profil_(Strömungslehre)
- [22] DE 10 2008 006 831 A1
- [23] DE102008035423A1
- [24] DE 10 2013 013 148 B3
- [25] DE 696 16 103 T2
- [26] EP 0 264 144 B2
- [27] EP 0 315 806 A2
- [27] DE 32 28 939 C1
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Ein Passagierflugzeug hat einen Treibstoffverbrauch von etwa 3 Liter pro Person auf 100 km Strecke. Dabei verursacht der Treibstoff bereits heute schon ein Drittel der Betriebskosten. Ökologisch betrachtet liegt der Anteil der Luftfahrt an den weltweiten CO2-Emissionen bei 2,42 %, siehe [1].
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Hierbei spielt der Luftwiderstand eine wesentliche Rolle. Durch die allgemein nicht vermeidbare Reibung an Oberflächen entsteht an Flugzeugoberflächen durch das Überströmen der Luft eine sogenannte Grenzschicht (Boundary Layer), welche bei niedriger Reynoldszahl über die gesamte Oberfläche laminar verläuft. Bei höherer Reynoldszahl kann die laminare Strömung nicht gänzlich aufrecht erhalten werden, wodurch diese in Strömungsrichtung zusammenbricht und sich turbulent fortsetzt - vergleiche 1. Der Umschlag von laminarer in turbulente Strömung wird in der Strömungsmechanik auch als Transition bezeichnet. Dieser Bereich (Turbulent Flow Boundary Layer) zeichnet sich durch starke Wirbelbildung und chaotisches Fließverhalten aus, wodurch ein deutlich höherer Strömungswiderstand entsteht.
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Diese Problematik spielt z.B. auch bei Windkraftanlagen eine Rolle. So erreichen derzeitig aktuelle Windkraftanlagen (z.B. Vestas V164-8.0, siehe [2]) mit Rotordurchmessern von 164 m Blattspitzengeschwindigkeiten von bis zu 370 km/h. Durch aerodynamische Verluste, d.h. durch Reibung an der Profiloberfläche (sog. Profil-Verluste) sowie durch Druckausgleich an der Blattspitze (sog. Tip-Verluste) wird der maximale Rotorwirkungsgrad vermindert. Während der theoretische maximale Wirkungsgrad bei ca. 59 % liegt, erreichen derzeit reale Windenergierotoren einen Wirkungsgrad von ca. 50 %, siehe [3].
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Es gibt bereits eine große Anzahl an unterschiedlichen Konzepten, von denen sich jedoch bisher noch keines durchsetzen konnte:
- - Riblets: Ähnlich einer Haifischhaut werden auf der Oberfläche miniaturisierte Stege/Wände aufgebracht (im mm-Bereich), welche ein Querfließen der Strömung verhindern sollen, siehe z.B. [11]
- - Turbulator (Vortex-Generator): Durch Anbringen von einer kleinen Oberflächenstörung wird der laminare Strom gezielt in eine turbulente Strömung überführt, um einen Strömungsabriss (plötzliche Abnahme des Auftriebs) hinauszuzögern, siehe z.B. [14], [16], [18]
- - Absaugen der Grenzschicht: Mittels kleinen Öffnungen wird die vorhandene Grenzschicht ins Innere abgesaugt, siehe z.B. [10], [17], [19]
- - Ausblasen in die Grenzschicht (synthetic jets): Ein Strahl wird in einer definierten Frequenz mittels Düsen in die Grenzschicht geblasen, wodurch sich die abgelöste Strömung wieder an die Oberfläche anlegt, siehe z.B. [10], [15]
- - Oberflächenwellen: Mittels Aktoren (z.B. Piezoaktoren) wird auf der Oberfläche eine Welle generiert, welche einen positiven Einfluss auf den laminarturbulenten Übergang besitzt und diesen hinauszögert, siehe z.B. [13], [18]
- - Plasma-Vortex-Generator: Mittels auf und unter der Oberfläche angebrachten Elektroden lässt sich ein Plasma erzeugen, wodurch auf der Oberfläche kleinere Luftwirbel entstehen; diese haben einen direkten Einfluss auf die Grenzschicht, siehe z.B. [12]
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In [20] und [21] sind Beispiele für strömungsdynamische Profilkörper beschrieben, auf die die Erfindung anwendbar ist.
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In [22], [23] und [24] sind Detektoren oder Sensoren zur Erfassung von Eigenschaften und/oder Parametern einer zu beeinflussenden Strömung beschrieben.
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In [25] sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Turbulenz in Grenschichtfeldern beschrieben. Durch Schallgeneratoren, die in einer angeströmten Wand angeordnet sind und die zeitlich geordnet aktivierbar sind, können Phasen von in die Strömung eingekoppelten Störungen randomisiert oder verstärkt werden. Es ist ausgeführt, dass durch eine stehende Welle eine Verstärkung der Störungen und somit eine Vergrößerung der Turbulenz erfolge.
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In [26] ist eine Steuerung einer laminaren Strömung in Fluiden durch akustische Energie beschrieben. Dabei wird akustische Energie nahe einer Oberfläche eines Tragflächenprofils erzeugt und in die angrenzende Grenzschicht eingeleitet. Es ist beschrieben, dass Tollmien-Schlichting-Wellen, die zum Aufbau von Turbulenzen führen, durch akustische Energie mit Wellenlängen im für diese Tollmien-Schlichting-Wellen charakterischen Wellenlängenbereich verstärkt werden und dass mit deutlich kleineren Wellenlängen durch destruktive Interferenz der Aufbau von Turbulenzen verzögert werden kann.
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In [27] sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung des laminarturbulenten Grenzschicht-Übergangs durch Schalldruckwellen beschrieben. Es ist als wichtig hervorgehoben, dass die eingeleiteten Schalldruckwellen-Störungen unstationär sind.
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In [28] ist eine Beeinflussung einer Grenzschicht an einem umströmten Körper durch Schwingungsenergie beschrieben.
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Viele der oben erwähnten Lösungsansätze sind derzeitiger Forschungsstand und wurden noch nicht ausreichend erprobt. Einige Ansätze sehen zwar in Ihrer Wirkung vielversprechend aus und besitzen möglicherweise genügend Potential, bieten jedoch auch Nachteile:
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Ein zu starker Eingriff in die Oberfläche - z.B. in Form von Bohrungen, Einschnitten, herausragenden Gegenständen - bedingt eine - eventuell auch negative - Beeinflussung der Strömung, wodurch sich der Strömungswiderstand sogar erhöhen kann. Zudem weisen solche „Oberflächendefekte“ eine große Anfälligkeit für Verschmutzung auf, wodurch ein Ausfall der Aktoren möglich ist.
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Riblets bieten zwar eine bereits gezeigte Widerstandsreduktion von etwa 2%, wie ein Feldversuch mit Airbus-Flugzeugen und einem 3M Riblet-Tape gezeigt haben, jedoch beschränkt auf eine bestimmte Fluggeschwindigkeit auf Grund der nicht skalierbaren Abstände und Größe der Riblets.
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Plasma-Vortex-Generatoren benötigen hohe Spannungen und viel Energie, um das erzeugte Plasma aufrecht zu erhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit der Strömungsbeeinflussung an fluiddynamisch wirksamen Flächen zu schaffen. Außerdem sollen weitere vorteilhafte Verwendungen der hierzu eingesetzten Strömungsbeeinflussungstechniken aufgezeigt werden.
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Zum Lösen dieser Aufgabe werden eine Strömungssteuerungsvorrichtung, ein strömungsdynamischer Profilkörper sowie ein Strömungssteuerungsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Strömungssteuerungsvorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung an einer strömungsdynamischen Fläche eines strömungsdynamischen Profilkörpers, umfassend eine Schallwellenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle mit örtlich definierten Wellenbäuchen und Wellenknoten.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Lösungsansatz ist dabei vorgesehen, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung wenigstens einen Schallwandler zum Erzeugen einer Primärschallwelle mit einer Ausbreitungsrichtung, die mit ihrer Hauptrichtungskomponente parallel zur Fläche und senkrecht zur Strömung verläuft, und eine Schallreflexionseinrichtung zum Zurückreflektieren der Primärschallwelle zwecks Erzeugen der stehenden Schallwelle aufweist.
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Gemäß einem weiteren Lösungsansatz der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung wenigstens einen ersten Schallwandler zum Erzeugen einer ersten Schallwelle mit einer Ausbreitungsrichtung, die mit ihrer Hauptrichtungskomponente parallel zur Fläche und senkrecht zur Strömung verläuft, und einen zweiten Schallwandler zum Erzeugen einer zweiten Schallwelle mit einer Ausbreitungsrichtung die der Ausbreitungsrichtung der ersten Schallwelle entgegengesetzt ist, um durch Überlagerung der ersten und zweiten Schallwelle die stehenden Schallwelle zu erzeugen, aufweist.
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Gemäß einem weiteren Lösungsansatz der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung ein Array von Schallwandlern, die in regelmäßigen Abständen an der die Fläche bildenden Oberfläche angeordnet sind und die ausgebildet sind, die stehende Schallwelle mit örtlich definierten Wellenbäuchen und Wellenknoten zu erzeugen, aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass sich Wellenknoten und Wellenbäuche längs der Strömungsrichtung längs erstrecken.
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Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass in einer Querrichtung zur Strömungsrichtung Wellenknoten und Wellenbäuche einander abwechseln.
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Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass Orte von Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen geradlinig verlaufen.
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Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass Orte von Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen spitz zulaufend und/oder dreieckförmig verlaufen.
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Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass Orte von Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen wellenförmig verlaufen.
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Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass Orte von Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen parallel verlaufen.
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Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Schallwelle in Abhängigkeit von Parametern der zu beeinflussenden Strömung erzeugt oder verändert wird.
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Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines örtlich definiert fokussierten Schallpulses ausgebildet ist.
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Insbesondere ist die Strömungssteuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, eine Eigenschaft oder einen Parameter der zu beeinflussenden Strömung zu erfassen und die Schallwellenerzeugungseinrichtung in Abhängigkeit des erfassten Parameters anzusteuern. Vorzugsweise wird dabei die Intensität - z.B. Schallpegel - und/oder die örtliche Verteilung der stehenden Schallwelle verändert und an die erfassten Ist-Bedingungen angepasst.
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Zur Erfassung von Eigenschaften der Strömung kann z.B. einer oder mehrere der aus [22], [23] und [24] bekannten Detektoren eingesetzt werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden Schallwandler nicht nur zur Schallerzeugung, sondern auch zur Erfassung von wenigstens einer Eigenschaft oder eines Parameters der Strömung verwendet.
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Die Schallwandler sind z.B. an eine Steuerung angeschlossen und werden mit einer Steuerenergie - z.B. einer elektrischen Spannung - versorgt, um die Schallwellen zu erzeugen. Umgekehrt sind die meisten Schallwandler in der Lage, entsprechende Druckschwankungen in eine andere Energieart - z.B. eine elektrische Spannung - umzuwandeln. Die Steuerung kann ausgebildet sein, entsprechend im Empfangsmodus Signale von dem Schallwandler zu empfangen, um so Rückschlüsse auf die Strömungsbedingungen zu schließen und gegebenenfalls den Schallwandler entsprechend anders anzusteuern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen strömungsdynamischen Profilkörper umfassend eine im Betrieb von einer Fluidströmung angeströmte und/oder umströmte strömungsdynamische Fläche, umfassend eine Schallwellenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle mit örtlich an der Fläche definiert angeordneten Wellenbäuchen und Wellenknoten, wobei die Schallwellenerzeugungseinrichtung (36) dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen,
- d) dass sich Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuche (40) längs der Strömungsrichtung (24) länglich erstrecken und/oder
- e) dass in einer Querrichtung zur Strömungsrichtung (24) Wellenknoten (42) und Wellenbäuche (40) einander abwechseln, und/oder
- f) dass Orte von Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40) plattenförmig oder wandförmig verlaufen, und/oder
- g) dass Orte von Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40) in Draufsicht auf die Fläche (10) gesehen spitz zulaufen und/oder dreieckförmig verlaufen, und/oder
- h) dass Orte von Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40) in Draufsicht auf die Fläche wellenförmig verlaufen,
- i) dass Orte von Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40) parallel verlaufen.
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Bevorzugt weist der strömungsdynamische Profilkörper eine Strömungssteuerungsvorrichtung nach einer oder mehreren der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen auf.
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Z.B. kann der strömungsdynamische Profilkörper ausgebildet sein als:
- - Strömungsprofil eines Luftfahrzeuges oder
- - Tragflügel oder Leitwerkkörper eines Flugzeuges oder
- - Triebwerkseinlasskörper eines Fahrzeuges oder Luftfahrzeuges oder
- - Rotorflügel oder Propellerflügel eines Luftfahrzeuges oder eines Windrads.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Anwendung der hier vorgestellten Strömungsbeeinflussungstechniken mittels stehender akustischer Wellen auf andere Fahrzeuge, wie Landfahrzeuge oder Wasserfahrzeuge und auch überall sonst, wo eine Strömungsbeeinflussung an umströmten strömungsdynamischen Flächen und Körpern zur Beeinflussung - z.B. Vermeiden oder Verzögern - eines Übergangs von laminarer in turbulente Strömung erwünscht ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Strömungssteuerungsverfahren zum Beeinflussen einer Strömung an einer strömungsdynamischen Fläche eines strömungsdynamischen Profilkörpers, umfassend: Beeinflussen der Strömung mittels örtlich definiert an der Fläche erzeugten Schallwellen - insbesondere in dem umströmenden Fluidmedium -, wobei das Verfahrens gekennzeichnet ist durch
- a) Erzeugen wenigstens einer stehenden Schallwelle.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist zusätzlich der Schritt vorgesehen:
- b) Fokussieren eines Schallpulses auf einen zu beeinflussenden Strömungsbereich.
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Gemäß einem Lösungsansatz der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt a) den Schritt enthält:
- Erzeugen der stehenden Schallwelle mit sich längs der Strömungsrichtung längs erstreckenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
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Gemäß einem weiteren Lösungsansatz der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt a) den Schritt enthält:
- Erzeugen der stehenden Schallwelle mit sich in einer Querrichtung zur Strömungsrichtung abwechselnden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
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Gemäß einem weiteren Lösungsansatz der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt a) den Schritt enthält:
- Erzeugen der stehenden Schallwelle mit geradlinig verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
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Gemäß einem weiteren Lösungsansatz der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt a) den Schritt enthält:
- Erzeugen der stehenden Schallwelle mit spitz zulaufenden und/oder dreieckförmig verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
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Gemäß einem weiteren Lösungsansatz der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt a) den Schritt enthält:
- Erzeugen der stehenden Schallwelle mit wellenförmig verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
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Gemäß einem weiteren Lösungsansatz der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt a) den Schritt enthält:
- Erzeugen der stehenden Schallwelle mit parallel verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist gekennzeichnet durch Verhindern oder Verzögern eines Übergangs einer laminaren Strömungsflusses in einen turbulenten Zustand durch Verwenden einer stehenden Schallwelle als Hindernis und/oder Führung für den Strömungsfluss und/oder als Vortex-Generator.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist gekennzeichnet durch Verändern der Schallwellenerzeugung in Abhängigkeit von Parametern der zu beeinflussenden Strömung.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist gekennzeichnet durch Erfassen wenigstens eines Parameters der zu beeinflussenden Strömung und Erzeugen der Schallwellen in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist gekennzeichnet durch Verwenden wenigstens eines Schallwandlers zur Erzeugung der Schallwelle und als Detektor zum Erfassen einer Eigenschaft oder eines Parameters der zu beeinflussenden Strömung.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens wird mittels der Strömungssteuerungsvorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchgeführt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens wird an einem strömungsdynamischen Profilkörper nach einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchgeführt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens umfasst eine Verwendung einer stehenden Schallwelle oder einer stehenden Schallwelle und eines fokussierten Schallpulses in einem Fluidmedium zur Beeinflussung einer Strömung des Fluidmediums an einer strömungsdynamischen Fläche.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens umfasst eine Verwendung einer stehenden Schallwelle und/oder eines fokussierten Schallpulses in einem Fluidmedium zur Vermeidung von Eisbildung an der strömungsdynamischen Fläche.
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Eine weitere mögliche Verwendung der Strömungssteuerungsvorrichtung, die auf der gleichen Idee der Ausnutzung stehender Schallwellen und/oder örtlich gezielt fokussierter Schallwellen im Bereich der Oberfläche strömungsdynamischer Profilkörper beruht, ist eine Verwendung als Vereisungsvermeidungsvorrichtung zur Vermeidung einer Eisbildung an einem umströmten Profilkörper, wobei die Strömungssteuerungsvorrichtung die Schallwellenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle mit örtlich an der Fläche definiert angeordneten Wellenbäuchen und Wellenknoten aufweist. Vorzugsweise ist die Schallwellenerzeugungsvorrichtung dabei auch zum Erzeugen eines örtlich definiert fokussierten Schallpulses ausgebildet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Übergangs einer Grenzschicht an einem strömungsdynamischen Profilkörper von laminarer zu turbulenter Strömung zur Verdeutlichung eines der Probleme, die durch Ausführungsformen der Erfindung gelöst werden können; gezeigt ist die Grenzschicht, laminar (links) und turbulent (rechts);
- 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines strömungsdynamischen Körpers mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Strömungssteuerungsvorrichtung, die eine erste Ausführungsform einer Schallwellenerzeugungseinrichtung aufweist;
- 3 zeigt eine Grafik zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Schallwellenerzeugungseinrichtung sowie der damit versehenen Strömungssteuerungseinrichtung;
- 4 zeigt Fotografien einer Visualisierung von stehenden Schallwellen, wie sie bei Ausführungsformen der Strömungssteuerungsvorrichtung zur Beeinflussung einer Strömung an einem strömungsdynamischen Körper eingesetzt werden können;
- 5 zeigt in den 5a bis 5f sechs verschiedene weitere Ausführungsformen der Schallwellenerzeugungseinrichtung unter Verwendung von unterschiedlichen Arrays von Schallwandlern - im Folgenden auch Phased Array Transducer genannt;
- 6 zeigt eine Grafik, in der eine Erzeugung einer stehenden Schallwelle mittels Phased Array Transducer gemäß einer der in 5 gezeigten Darstellungen verdeutlicht wird,
- 7 eine zweite Ausführungsform eines strömungsdynamischen Profilkörpers mit einer zweiten Ausführungsform einer Strömungssteuerungsvorrichtung, die eine Schallwellenerzeugungseinrichtung der in 5 und 6 verdeutlichten Art mit Phased Array Transducern aufweist;
- 8 zeigt in den 8a, 8b und 8c mögliche Ausgestaltungen von stehenden Schallwellen zur Strömungsbeeinflussung bei einer Strömungssteuerungsvorrichtung, beispielsweise gemäß 7.
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In 1 ist ein Beispiel einer strömungsdynamischen Fläche 10 dargestellt, die durch eine Strömung 12 eines Fluidmediums 14, beispielsweise Luft, angeströmt wird. Die Fläche 10 ist beispielsweise eine Oberfläche eines Tragflügels 16 eines Passagierflugzeuges 18, das sich durch die Luft bewegt.
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Dabei spielt der Luftwiderstand eine wesentliche Rolle. Durch die allgemein nicht vermeidbare Reibung an Oberflächen entsteht an Flugzeugoberflächen durch das Überströmen der Luft eine sogenannte Grenzschicht 20, welche bei niedriger Reynoldszahl über die gesamte Fläche 10 laminar verläuft. Bei höherer Reynoldszahl kann die laminare Strömung 22 nicht gänzlich aufrecht erhalten werden, wodurch diese in Strömungsrichtung 24 zusammenbricht und sich turbulent fortsetzt - turbulente Strömung 26. Der Umschlag von laminarer Strömung 22 in turbulente Strömung 26 wird in der Strömungsmechanik auch als Transition bezeichnet und ist in 1 als Übergangsbereich 28 dargestellt. Der Bereich turbulenter Strömung 26 zeichnet sich durch starke Wirbelbildung und chaotisches Fließverhalten aus, wodurch ein deutlich höherer Strömungswiderstand entsteht. Unterhalb der turbulenten Strömung 26 befindet sich eine laminare Unterschicht 30.
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Im Stand der Technik haben sich die Ausbildung von sogenannten Riblets - hierunter sind z.B. in Strömungsrichtung 24 gerichtete z.B. rippenartige Hindernisstrukturen zu verstehen - als unter bestimmten Bedingungen brauchbare Maßnahmen erwiesen, um den Übergang von laminarer Strömung 22 in turbulente Strömung 24 zu vermeiden oder zu verzögern. Z.B. werden solche Riblets durch aufgeklebte und entsprechend ortsunveränderliche Strukturen gebildet.
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Im Folgenden werden Strömungssteuerungsvorrichtungen 32 beschrieben, mit denen sich ähnliche Effekte wie durch die Riblets erreichen lassen, die aber weniger Eingriffe in die Oberflächenform der strömungsdynamischen Fläche 10 erfordern und die auch an sich ändernde Strömungsbedingungen anpassbar sind.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines strömungsdynamischen Profilkörpers 34, an dem eine solche strömungsdynamisch wirksame Fläche 10, die durch eine Strömung 12 des Fluidmediums angeströmt wird, dargestellt. Der Profilkörper 34 ist z.B. eine Tragfläche oder ein Tragflügel 16 eines Luftfahrzeuges 34, wie z.B. eines Passagierflugzeuges 18. Weitere Beispiele für den Profilkörper 34 sind Leitwerke, Rumpfteile oder Triebwerksteile, wie z.B. Triebwerkseinlässe von Luftfahrzeugen oder Propellerblätter oder Rotorblätter von Luftfahrzeugen wie Flugzeugen oder Hubschraubern. Ein weiteres Beispiel für den Profilkörper sind Rotorblätter von Windrädern. Siehe für weitere Einzelheiten derartiger Profilkörper die Literaturstellen [1], [2], [3], [20] und [21].
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Die Strömungssteuerungsvorrichtung 32 weist jedoch anstelle starrer Riblets eine Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 auf, mittels der sich eine dreidimensionale stehende Schallwelle 38 in dem Fluidmedium 14 in der Grenzschicht 20 erzeugen lässt. Eine solche stehende Schallwelle 38 mit Wellenbäuchen 40 und Wellenknoten 42 bildet sozusagen „virtuelle Riblets“ 44 aus, die wie körperlich vorhandene Riblets wirken. Dies wird im Folgenden anhand der 3 und 4 näher verdeutlicht.
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3 zeigt in 3a bis 3d die Überlagerung von Wellen 46, 48 und eine daraus resultierende stehende Welle 50, siehe [4] und siehe hierzu auch Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Stehende_Welle. In den 3a bis 3d werden eine nach rechts laufende Welle 46 mit einer nach links laufenden Welle 48 überlagert.
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Durch Überlagerung von zwei Wellen 46, 48 gleicher Frequenz lässt sich eine stehende Welle erzeugen. Treffen sich zwei Wellen 46, 48 - in 3a, hier mit gleicher Amplitude - in der Mitte, kommt es durch Überlagerung zur Interferenz.
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Schreiten die Wellen 46, 48 je um eine Viertel Wellenlänge (= 1/4 λ) fort, so haben sie sich insgesamt zueinander um eine halbe Wellenlänge verschoben, siehe 3b. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Wellen 46, 48 in Phase, wodurch es zur konstruktiven Interferenz kommt.
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Bewegen sich die Wellen erneut je um 1/4 λ fort, wie in 3c gezeigt, befinden sie sich in Gegenphase mit destruktiver Interferenz. Die Amplitude der resultierenden Welle 50 ist demnach gleich Null.
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Bewegen sich die Wellen wieder um 1/4 λ fort, so sind sie erneut in Phase. Es folgt wieder konstruktive Interferenz mit entsprechender Amplitude der resultierenden Welle, siehe 3d. Die stehenden Maxima bzw. Minima ergeben sich somit jedes Mal an gleicher Stelle, wodurch die stehende Welle 50 entsteht, vgl. 3b mit 3d.
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Bei der Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 wird hörbarer Schall im höheren Frequenzbereich und besonders Ultraschall, mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen, von Schallgebern oder Schallwandlern (auch Transducer genannt) z.B. mittels des (inversen) piezoelektrischen Effektes erzeugt. Hierbei regt eine hochfrequente elektrische Wechselspannung ein piezoelektrisches Material wie z.B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zu Schwingungen an, welche in einem kompressiblen Medium 14 wie Luft Druckschwankungen und in Folge Schall verursachen.
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Nach dem Prinzip der stehenden Welle 50 können z.B. bei der akustischen Levitation mit Ultraschall leichte Partikel in Schwebe gehalten werden. Auf Grund der sich abwechselnden Druckunterschiede entstehen kleine Strömungen, welche sich z.B. kreisförmig ausbilden und somit eine Kraft auf kleinere Partikel ausüben können. Diese sog. akustische Kraft kann dazu genutzt werden um dementsprechend Partikel gefangen zu halten, vgl. 4, für weitere Erläuterungen und Einzelheiten wird auf [5], [6] und [7] verwiesen.
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Dieser Effekt lässt sich schließlich auch zur Strömungskontrolle verwenden. Hierfür werden zwei sich gegenüber stehende Transducer (oder ein Transducer mit einem gegenüber stehenden Reflektor) - erster Schallwandler 54 und zweiter Schallwandler 56 oder Schallwandler 52 und Reflektor 58 - nahe der Oberfläche - Fläche 10 - stehend (z.B. senkrecht zur Oberfläche) angebracht, welche dazwischen eine 2-dimensionale stehende Schallwelle erzeugen, also lokale alternierende Druckstellen, vgl. 2a. Werden dementsprechend viele solcher mehr 2-dimensionaler stehenden Wellen in gleicher Ausrichtung hintereinander angeordnet, ergibt sich eine längliche „Druckwand“ 60, - örtliche Verteilung eines Wellenbauchs einer dreidimensionale stehende Schallwelle 38 dargestellt mit „+“ für positive Amplitude und „-“ für negative Amplitude - welche im Folgenden als „virtuelles“ Riblet 44 bezeichnet wird, siehe 2b. Im Falle der Turbulenzbeeinflussung werden die virtuellen Riblets 44 vorzugsweise so ausgerichtet, dass diese parallel zur Strömungsrichtung 24 verlaufen.
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Demnach weist die in 2 dargestellte Ausführungsform der Strömungssteuerungsvorrichtung 32 eine Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 auf, die zum Ausbilden einer stehenden Schallwelle 38 ausgebildet ist, deren Wellenbäuche eine definierte örtliche Verteilung zur Strömungsbeeinflussung aufweisen.
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Hier ist z.B. eine Anordnung aus wenigstens einem Schallwandler 52 und einem Reflektor 58 oder eine Anordnung aus wenigstens einem ersten Schallwandler 54 und einem zweiten Schallwandler 56 vorgesehen.
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An die Schallwandler 52, 56, 54 ist eine nicht näher dargestellte Steuerung angeschlossen, die die Schallwandler mit einer einstellbaren Wechselspannung zum Erzeugen der dreidimensionalen stehenden Schallwelle 38 und damit der örtlich definiert angeordneten und verteilten virtuellen Riblets versorgt.
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Dabei kann durch entsprechende Ansteuerung die Zahl, Lage, Ausrichtung und Intensität der virtuellen Riblets 44 (der Wellenbäuche 40) gezielt verändert und an derzeitige Bedingungen und Eigenschaften der Strömung 12 angepasst werden.
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Die gezielte Veränderung und Ausrichtung der Lage von Wellenbäuchen stehender akustischer Wellen ist bekannt und wird z.B. für andere Anwendungen in [5], [6] und [7] erläutert. In 4a bis 4d sind unterschiedliche gezielt erzeugte und örtlich definierte stehende dreidimensionale Schallwellen am Anwendungsbeispiel der akustischen Levitation dargestellt. 4 zeigt die Visualisierung der akustischen Resonanzmuster der akustischen Levitation mittels kalten Eisaerosol, siehe [7].
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In 2 ist die Anwendung dieser Technik stehender Schallwellen zur Strömungskontrolle gezeigt. Durch die Erzeugung der virtuellen Riblets 44 werden Querströmungen innerhalb der Grenzschicht 20 unterbunden, wodurch sich eine verlängerte laminare Strömung 22 einstellt. Durch den längeren Erhalt der widerstandsärmeren laminaren Strömung 22 und späteren Umschlag in die turbulente Strömung 26 ergibt sich somit in der Summe ein allgemein geringerer Luftwiderstand.
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In 2 ist die Erzeugung virtueller Riblets 44 mittels stehend angeordneten Transducern verdeutlicht.
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Im Folgenden wird auf 5 Bezug genommen, die weitere Ausführungsformen der Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 zeigt, die besonders zur Strömungsbeeinflussung für strömungsdynamische Profilkörper geeignet sind. 5 zeigt verschiedene Anordnungen von Schallgebern oder Schallwandlern 52 zu einem Array 44 (Phased Array Transducer), siehe hierzu im Einzelnen die Literaturstelle [8].
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Durch die Verwendung bestimmter Transducer lässt sich die Ausbreitungsrichtung der Schallwelle gezielt einstellen oder auch bei Bedarf gebündelt auf einen Punkt fokussieren. Bei den Ausführungsformen der 5 werden die Schallwellen mit einer Vielzahl aus Einzeltransducern - viele einzelne Schallwandler 52 - erzeugt, welche je nach Anwendung in einer bestimmten Weise angeordnet sind. Es sind unterschiedliche Arrays 64 von Schallwandlern 52 in 5 dargestellt. Eine Anordnung solcher Transducer wird zusammen als ein „Phased Array Transducer“ 66 bezeichnet, da die einzelnen Transducer phasenverschoben angesteuert werden müssen, um eine gerichtete (Gesamt-)Schallwelle bzw. Bündelung/Fokussierung zu erreichen, siehe [8].
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Durch Verwendung von streifenförmigen Arrays 64 lassen sich erneut längliche virtuelle Riblets 44 bilden, welche zudem noch in ihren Abständen und ihrer Höhe verstellbar sind. Dies ist in 6 näher verdeutlicht. 6 zeigt mittels Phased Array Transducer 66 nahe der Oberfläche fokussierter Schall, der zu einen einzelnen Druckknoten fokussiert ist.
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Solche Phased Array Transducer 66 werden für die Strömungsbeeinflussung in die Oberfläche - strömungsdynamische Fläche 10 - in regelmäßigen Abständen selbst angebracht, um eine Vielzahl solcher virtueller Riblets 44 auf der Oberfläche zu erzeugen. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des strömungsdynamischen Profilkörpers 34 mit einer weiteren Ausführungsform der Strömungssteuerungsvorrichtung 32, die eine Ausführungsform einer Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 aufweist, bei der solche streifenförmigen Schallwandler 52 zu einem derartigen Phased Array Transducer 66 zusammengefasst sind, um die virtuellen Riblets 44 zu erzeugen.
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7 verdeutlicht die Erzeugung virtueller Riblets 44 mittels streifenförmigen Phased Array Transducer 66 an einer strömungsdynamisch wirksamen Fläche 10.
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Allgemein sind Ultraschall-Arrays auf anderen technischen Gebieten, so z.B. bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und in der Medizin bei der Zerstörung von z.B. Tumorgewebe oder Nierensteine oder Gallensteinen heutiger Stand der Technik und somit bekannt. Die aus diesen technischen Gebieten bekannten Anpassungen zur Strahlanpassung und Ausbreitung der Schallwellen können auch für die hier dargestellte Verwendung zur Strömungsbeeinflussung eingesetzt werden.
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Bisher sind die virtuellen Riblets 44, die durch Wellenbäuche einer stehenden Schallwelle erzeugt werden und sich entsprechend der örtlichen Verteilung und Lage der Wellenbäuche erstrecken, als geradlinige, vorzugweise parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Elemente beschrieben worden. Die Riblets 44 sind als eine Art Druckwand oder Schallwand 60 - d.h. Wand aus Schall - ausgebildet.
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Die Form und Ausrichtung der Schallwände 60 muss jedoch nicht zwingend gerade und parallel verlaufen, sondern es sind jegliche andere Formen und Verteilungen denkbar, welche mit den Phased Array Transducer 66 zu erzeugen sind. Einige exemplarische Anordnungen sind in 8 dargestellt.
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8 zeigt unterschiedliche mögliche Anordnungsweisen der „virtuellen“ Riblets 44 und zwar in 8a parallel, in 8b spitz zulaufend und in 8c wellenförmig.
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Bedingungen für eine optimale bzw. maximale Turbulenzunterdrückung können je nach Anwendung in Versuchen ermittelt werden. Denkbar ist hierbei auch unter anderem auch eine Selbstoptimierung nach dem Prinzip der neuronalen Netze, wobei die Anordnung der Schallwandler eher statistisch verteilt ist und die zeitliche Generierung und Form der Schallknoten durch den selbsterlernenden Prozess zu einem minimalen Luftwiderstand hin ermittelt wird.
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Eine weitere leicht abgewandelte Einsatzmöglichkeit ist, dass mit einem fokussierten Schallpuls gezielt herausbrechende Luftwirbel, wie z.B. sog. Hairpin Vortizes siehe [9], zerschossen werden, was deren weitere Ausbildung unterbindet. Hierbei können die Transducer oder Schallwandler 52 gleichzeitig die Rolle eines Sensors und eines Aktors einnehmen, da die Transducer oder Schallwandler 52 im umgekehrten Fall, also bei einer vorhandenen Druckschwankung, diese in ein elektrisches Signal umwandeln, welches zur Erfassung der Position der entstehenden Wirbel dient.
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Neben dem Einsatz für die Strömungsmanipulation ergibt sich eine weitere mögliche Verwendung solcher Schallwände 60, insbesondere im Fall von Ultraschallwänden.
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Sich während des Fluges bildende vereiste Tragflächen, insbesondere im Bereich des Vorflügels, stellen immer wieder ein Problem dar. Diese bilden sich durch angeströmte und anhaftende Eispartikel. Durch die Erzeugung und Einhüllung bestimmter Bereiche des Flügels mit den virtuellen Riblets 44 werden die Eispartikel gezielt abgelenkt. Die Schallwände 60 fungieren somit als ein Schutzschirm, wodurch ein Anhaften des Eises vermieden wird.
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Da sich Schallwellen auch in festen Materialien wie z.B. Aluminium ausbreiten, ließe sich der Schallwandler 52 unter die Flugzeughaut anbringen. Die somit erzeugten Schallwellen würden durch das Material der Haut in die darüber liegende Luftschicht dringen.
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Um allgemein eine bessere Einkopplung des Schalls in ein Medium mit abweichender akustischer Impedanz zu erreichen, werden i.R. auf die Transducer Anpassungsschichten aufgebracht. Solch eine Anpassungsschicht ließe sich z.B. bei Flugzeugen unkompliziert durch einfaches Beschichten auf der Flugzeughaut aufbringen, ohne ebenfalls in die eigene Struktur der Flugzeughaut eingreifen zu müssen.
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Bei den hier beschriebenen Lösungen werden „virtuelle“ Riblets 44 mittels Schall, also z.B. hörbarer Schall oder je nach Randbedingung Ultraschall, erzeugt. Zur Erzeugung des Schalls werden im derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel Phased Array Transducer 66 verwendet, welche z.B. streifenförmig ausgebildet längs in Strömungsrichtung 24 angeordnet werden.
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Durch phasenverschobene Ansteuerung der einzelnen Schallwandler 52 lässt sich somit ein Schallstrahl erzeugen, welcher nahe der Oberfläche fokussiert eine stehende Druckwelle erzeugt. Diese wirkt für den vorbeiströmenden Fluss wie eine Wand 60. Somit wird durch diese Wand 60 ein Durchströmen verhindert, wodurch der Übergang von laminarer Strömung 22 in turbulente Strömung 26 verhindert bzw. verzögert wird.
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Eine weitere leicht abgewandelte Ausführung ist nicht nur mittels virtueller Riblets 44 eine Querströmung zu verhindern, sondern den Schall gezielt auf herausbrechende Luftwirbel zu fokussieren, diese zu zerschießen und deren weitere Ausbildung zu unterbinden.
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Einige Vorteile der hier dargestellten Lösungen sind:
- - Insbesondere bei der Verwendung von Phased Array Transducer 66: Skalierbare Schallwände 60 und somit Anpassung an die Strömungssituation, wie z.B. Strömungsgeschwindigkeit, Start/Landung bei Flugzeugen
- - Gezielte Manipulation der Strömung bei z.B. ausbrechenden Wirbeln
- - Allgemein kein oberflächenverändernder und somit strömungsbeeinflussender Eingriff in die Oberflächenstruktur
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Die hier dargestellten Lösungen betreffen insbesondere
- - eine Turbulenzbeeinflussung/Strömungsmanipulation (manipulation of turbulence/flow)
- - eine aktive Änderung des Luftwiderstands (active air drag modification) und/oder
- - eine Erzeugung einer Ultra-/Schallwand (ultra-/sonic sound wall).
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Durch die hier dargestellten Lösungen wird insbesondere ein Aktorsystem zur Beeinflussung von Strömungen zur Reduzierung oder Erhöhung des Strömungswiderstandes geschaffen.
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Vorteilhafte Anwendungsgebiete sind insbesondere
- • eine Reduzierung des Luftwiderstandes und somit der Treibstoffeinsparung bei Luftfahrzeugen und insbesondre primär Flugzeugen und bei Schnellzügen.
- • eine Effizienzsteigerung bei Turbinen und Windkraftanlagen
- • eine Verbesserung bei allen Anwendungsbereichen, bei denen Strömungen einen turbulenten Zustand einnehmen können, welcher zu einem Anstieg des Strömungswiderstandes führt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- strömungsdynamische Fläche
- 12
- Strömung
- 14
- Fluidmedium
- 16
- Tragflügel
- 18
- Passagierflugzeug
- 20
- Grenzschicht
- 22
- laminare Strömung
- 24
- Strömungsrichtung
- 26
- turbulente Strömung
- 28
- Übergangsbereich
- 30
- laminare Unterschicht
- 32
- Strömungssteuerungsvorrichtung
- 34
- Profilkörper
- 36
- Schallwellenerzeugungseinrichtung
- 38
- stehende Schallwelle
- 40
- Wellenbauch
- 42
- Wellenknoten
- 44
- virtuelles Riblet
- 46
- Welle nach rechts
- 48
- Welle nach links
- 50
- stehende Welle
- 52
- Schallwandler
- 54
- erster Schallwandler
- 56
- zweiter Schallwandler
- 58
- Reflektor
- 60
- Druckwand/Schallwand
- 64
- Array
- 66
- Phased Array Transducer
