DE19641351C1 - Verfahren zur Bestimmung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags in einer Kryoströmung und Kryokanal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Eine reale Simulation der strömungsmechanischen Zustän­ de an Modellen ist nur gewährleistet, wenn Reynolds- und Mach-Zahl-Ähnlichkeit zwischen Modell und Großaus­ führung besteht. Fahrzeuge und Flugzeuge werden in Windkanälen anhand erheblich verkleinerter Modelle ge­ testet. Dabei kann es erforderlich sein, Kryokanäle einzusetzen, bei denen das Modell von einem Gas unter Tieftemperaturbedingungen angeströmt wird. Unter diesen Versuchsbedingungen kann der laminar-turbulente Grenzschichtumschlag, z. B. auf Tragflügeln eines Flug­ zeugs bei Modell- und Originalausführung am gleichen Ort erfolgen. Es ist sehr wichtig, im Experiment die Position der Transitionslinie am Modell mit hinreichen­ der Genauigkeit zu bestimmen.

Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 4 sind bekannt aus dem Buch "Flow Visualiza­ tion", 2. Aufl., von Wolfgang Merzkirch, London: Acade­ mic Press 1987, S. 82-87, 112. Das dort beschriebene Verfahren zur Bestimmung des laminar-turbulenten Grenz­ schichtumschlags an einem Modell in einer Kryoströmung sieht vor, daß in die Kryoströmung ein Indikatorfluid eingeführt wird. Dieses besteht aus Propangas, welches mit einem Pigment vermischt ist. Das Propangas wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt und dann durch Löcher in der Modelloberfläche herausgedrückt. Das Pigment schlägt sich in fester Form auf dem Modell nieder. Der laminar-turbulente Grenzschichtumschlag wird anhand derjenigen Stellen festgestellt, an denen der feste Indikator unter der turbulenten Strömung schneller als unter der laminaren Strömung verschwindet.

Auch finden Anstrichverfahren, bei denen beispielsweise eine Ölschicht auf das Modell aufgetragen wird, Anwen­ dung. Hierbei wird das unterschiedliche Verdunstungs­ verhalten in der laminaren und turbulenten Grenz­ schichtströmung zur Detektion des Umschlags ausgenutzt. Diese Techniken lassen sich allerdings nur bis zu Tem­ peraturen von -40°C anwenden. Sie versagen bei tiefen Temperaturen.

In dem Buch "Optische Strömungsmeßtechnik" von Herbert Oertel, Karlsruhe: Braun 1989, S. 417-419, ist be­ schrieben, daß auch Kohlendioxyd zur Erzeugung von Tra­ cerpartikeln auf dem Wege der Kondensation in expandie­ render Strömung verwendet worden ist.

Aus DE 38 26 379 C1 ist es bekannt, an einem Modell in einem Kryowindkanal Strömungsgrenzschichten mit Hilfe einer Wärmebildkamera zu erfassen.

Aus DE 44 05 986 A1 ist eine Lanze zum Einleiten eines Indikatorgases in eine Strömung bekannt. Das Kopfstück der Lanze hat eine aerodynamische Form. Das Indikator­ gas tritt aus dem Kopfstück aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Be­ stimmung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags an einem Modell in einer Kryoströmung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Kryokanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 derart weiterzubilden, daß das Verfahren auch im Tieftemperaturbereich in der Größenordnung von -100 bis -173°C anwendbar und ohne Pigmentstoffe durchführbar ist und daß der Kryokanal zur Durchführung dieses Verfahrens dienen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit dem im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahren bzw. mit dem im Anspruch 4 angegebenen Kryokanal.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in eine Kryo­ strömung ein Indikatorgas eingeführt, das unter der tiefen Temperatur der Kryoströmung kristallisiert und sich auf dem Modell niederschlägt. Der kristalline Nie­ derschlag neigt zur Sublimation, d. h. zu einem Rückgang von der festen in die gasförmige Phase, wobei die Sub­ limationsrate mit abnehmender Temperatur kleiner wird.

Die Sublimationsrate wird außerdem von den herrschenden Strömungsbedingungen beeinflußt. Bei turbulenter Grenz­ schichtströmung ist sie infolge eines größeren Queraus­ tausches mit der äußeren Schicht größer als bei lamina­ rer Grenzschichtströmung. Die Erfindung nutzt die Ab­ hängigkeit der Sublimationsrate vom Strömungszustand aus. Die Kristalle des Indikatorgases können auf dem Modell z. B. als weiße Schicht (Schnee) erkannt werden. Diese weiße Schicht verschwindet an denjenigen Stellen, an denen turbulente Strömung herrscht, früher als an den Stellen, an denen die Strömung laminar ist. Auf diese Weise kann der Grenzschichtumschlag zuverlässig festgestellt werden.

Als Indikatorgas wird vorzugsweise Kohlendioxid (CO₂) verwendet. Die Umschlagstemperatur, bei der CO₂ vom gasförmigen in den festen Zustand übergeht, be­ trägt -78,5°C. Die Kyroströmung, in die das CO₂ einge­ leitet wird, muß eine Temperatur haben, die niedriger ist als diejenige des Umschlagpunktes. Beispielsweise eignen sich Temperaturen unter -100°C. Das CO₂ kri­ stallisiert in der Kryoströmung, so daß auf dem Windka­ nalmodell Kristalle abgesetzt werden. Vorzugsweise wird eine möglichst gleichmäßige Schicht konstanter Dicke auf dem Modell erzeugt. Nach Beendigung der Zufuhr wei­ teren Indikatorgases verflüchtigt sich die kristalline Schicht auf dem Modell in einer Zeit, die von wenigen Sekunden (im Temperaturbereich von -90 bis -100°C) bis zu 8 bis 10 Minuten (im Bereich von -130°C) beträgt. Diese Werte gelten für Stellen laminarer Strömung. An Stellen turbulenter Strömung ist die Sublimationszeit geringer. Anhand des Verschwindens der kristallinen Schicht kann die Grenzlinie zwischen laminarer und tur­ bulenter Strömung erkannt werden.

Durch die aerodynamische Form des Kopfstücks der Lanze im Kryokanal gemäß dem Anspruch 4 ist gewährlei­ stet, daß die Kryoströmung möglichst wenig gestört wird, und daß die Kristalle des Indikatorgases stö­ rungsfrei in die Kryoströmung eingeleitet werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Kryo-Windkanal mit einem darin enthaltenen Halbmodell eines Flugzeuges,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab die Zuordnung des Lan­ zenkopfes zu dem Modell und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Modell mit der durch die Kristalldichte markierten Transitionslinie zwischen laminarer und turbulenter Strömung.

In Fig. 1 ist ein Kryokanal 10 dargestellt, bei dem es sich um einen bei tiefen Temperaturen betriebenen Wind­ kanal handelt. Die Kryoströmung, die durch den Pfeil 11 angedeutet ist, besteht aus Stickstoff mit einer Tempe­ ratur zwischen -100 und -173°C.

In der Wand 12 des Kryokanals 10 befinden sich Fenster 13 und ein Durchlaß 14 zum Hindurchstecken eines Mani­ pulators für eine Lanze 15, die an ihrem Ende ein Kopf­ stück 16 trägt.

In dem Windkanal 10 ist ein Modell 17 positioniert, bei dem es sich hier um ein Halbmodell eines Flugzeugs han­ delt. Das Modell 17 ist auf einer Waage 18 montiert, mit der die verschiedenen Komponenten der Windbelastung gemessen werden können.

In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand werden die Strömungsverhältnisse am Flügel 17a des Modells 17 un­ tersucht.

Durch die Lanze 15 wird dem Kopfstück 16 CO₂ zugeführt, das aus dem Kopfstück 16 austritt und sich an dem Flü­ gel 17a in kristalliner Form niederschlägt. Die Um­ schlagstemperatur, bei der CO₂ vom gasförmigen in den festen Zustand übergeht, beträgt -78,5°C. Da die Lanze 15 sich in der viel kälteren Gasströmung befindet, tritt das Indikatorgas bereits in kristalliner Form aus dem Kopfstück 16 aus.

Fig. 2 zeigt das in der Kryoströmung 11 liegende Kopf­ stück 16 der Lanze 15 mit dem stromab angeordneten Flü­ gel 17a des Modells. Das Kopfstück 16 hat eine aerody­ namische Form aus zwei konvexen Flächen 16a, 16b, wobei die Fläche 16b als Lochfläche ausgebildet ist, aus der das Indikatorgas 19 quer zur Kryoströmung 11 austritt. Das Kopfstück 16 liegt mit seinem dickeren Ende strom­ auf gewandt so in der Kryoströmung 11, daß diese mög­ lichst wenig gestört wird. Das aus dem Kopfstück 16 austretende Indikatorgas wird von der Kryoströmung 11 mitgenommen, wobei die Kristalle dieses Gases sich auf dem Flügel 17a niederschlagen und dort eine gleichmäßi­ ge Schicht bilden.

Nachdem der Schichtaufbau der Indikatorschicht beendet ist, wird die Lanze 15 aus der Kryoströmung 11 ent­ fernt. Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Schnitt durch den Flügel 17a, wobei längs der Vorderkante 20 des Flügels eine Dicke Kristallschicht 21 vorhanden ist, die von der Transitionslinie 22 be­ grenzt wird. Stromab der Transitionslinie 22 befindet sich der Bereich 23 turbulenter Strömung, in dem zwar noch Indikatorkristalle vorhanden sind, jedoch in we­ sentlich geringerer Konzentration als im Bereich 21 laminarer Strömung. Die Konzentrationsunterschiede wer­ den durch die unterschiedliche Sublimationsrate in la­ minarer und turbulenter Grenzschichtströmung hervorge­ rufen. Auf diese Weise kann die Transitionslinie 22 be­ stimmt werden, indem der Flügel 17a nach Beendigung des Aufbaus der Indikatorschicht weiter von der Kryoströ­ mung 11 angeströmt wird. In dem Bereich 21 laminarer Strömung bleibt die kristalline Indikatorschicht länger erhalten als in dem Bereich 23 turbulenter Strömung. Die Indikatorkristalle zeichnen sich durch ihre weiße Farbe optisch sichtbar von dem Untergrund des Flügels 17a ab.

Zum Aufbringen der Indikatorschicht wird die Lanze 15 so gesteuert, daß das Kopfstück 16 entlang der Vorder­ kante 20 des Flügels 17a bewegt wird.

Anstelle von CO₂ eignen sich auch andere Stoffe als Indikatorgas. Die Wahl des Indikatorgases hängt wesent­ lich von der Temperatur der Kryoströmung ab. Die Subli­ mationstemperatur des Indikatorgases muß wesentlich über der Temperatur der Kryoströmung liegen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags an einem Modell in einer Kryoströmung, bei dem ein Indikatorfluid in die Kryoströmung eingeführt wird, das sich in fester Form auf dem Modell niederschlägt und bei dem man den laminar-turbulenten Grenzschichtumschlag an­ hand derjenigen Stellen feststellt, an denen der feste Indikator unter der turbulenten Strömung schneller als unter der laminaren Strömung ver­ schwindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Indikatorfluid als Gas in die Kryoströmung eingeführt wird, das sich auf dem Modell in kri­ stalliner Form niederschlägt und unter der turbu­ lenten Strömung durch schnellere Sublimation zu­ erst verschwindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Indikatorgas mittels einer bewegbaren Lan­ ze (15) in einen Kryokanal (10) eingeleitet wird und aus einem Kopfstück (16) der Lanze austritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Indikatorgas CO₂ verwendet wird.

4. Kryokanal mit einem Modell und mit Öffnungen zur Einleitung eines Indikatorfluids in den Kryokanal zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine bewegbare Lanze (15) aufweist, aus deren Kopfstück (16) das Indikatorgas (19) aus­ tritt, und daß das Kopfstück (16) eine aerodynami­ sche Form aus zwei konvexen Flächen (16a, 16b) auf­ weist und eine dieser Flächen mit Austrittsöffnun­ gen versehen ist.