DE19703766C1 - Boundary layer influencing method for aircraft wings - Google Patents

Boundary layer influencing method for aircraft wings

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Abstract

A permanent wave front (2) moving in the direction of flow (3), is generated on the outer surface (1) of the wing subjected to the flow. The waves in the front extend almost orthogonal to the movement direction of the front. The flow particles coming close to the surface of the wing are moved by the wave front in the direction of the wave course. The wave front is generated as a migratory flex wave in the outer active surface of the wing, by two superimposed electrical oscillations with a phase displacement of approx. 90 deg .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Beeinflus­ sung einer Grenzschicht eines umströmten bzw. durchströmten Körpers, vorzugsweise einer Tragfläche eines Luftfahrzeuges, sowie einen Körper zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for active influencing solution of a boundary layer of a flow around or flowed through Body, preferably a wing of an aircraft, and a body for performing the procedure.

Es sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen zur Beein­ flussung der Grenzschicht von umströmten Körpern bekannt. So ist in der DE 32 28 939 C1 eine Einrichtung beschrieben, bei der innerhalb der umströmten Oberfläche des Körpers mindes­ tens ein passives Sensorelement sowie mindestens ein aktiver Schwingungsgeber angeordnet sind. Diese Bauelemente wirken mit einer Analysier- und Regelschaltung derart zusammen, daß sie aufgrund einer fortlaufend durch den Sensor gemessenen Strömungsgröße eine Stellgröße innerhalb der Analysier- und und Regelschaltung erzeugen, die über den Schwingungsgeber eine Beeinflussung der Grenzschicht in der gewünschten Form bewirkt. Hierbei können als Sensoren mechanische Druckauf­ nehmer, Piezokristalle, induktive Aufnehmer, Hitzdrähte oder Hitzfilme verwendet werden. Als Schwingungsaufnehmer können horizontal oder vertikal oszillierende Oberflächenteile, elektromagnetische Felder, elektrisch leitende Oberflächen­ bereiche, Piezokristalle, Hitzdrähte oder Hitzfilme dienen.There are a number of methods and devices for legs flow of the boundary layer of bodies around which flow is known. So a device is described in DE 32 28 939 C1 of the minimum within the surface of the body at least one passive sensor element and at least one active one Vibration transmitters are arranged. These components work together with an analysis and control circuit such that it based on a continuously measured by the sensor Flow variable is a manipulated variable within the analysis and and generate control circuit that via the vibration transmitter influencing the boundary layer in the desired form  causes. Mechanical pressure can be used as sensors sensors, piezo crystals, inductive sensors, hot wires or Heat films can be used. Can as a vibration sensor horizontally or vertically oscillating surface parts, electromagnetic fields, electrically conductive surfaces areas, piezocrystals, hot wires or hot films.

Bei einer derartigen Vorrichtung ist gemäß DE 33 16 393 C2 vorgesehen, daß das über eine Regeleinrichtung erzeugte periodische Regelsignal frequenzmäßig gleich ist demjenigen Frequenzanteil einer stochastischen Strömungsschwankung, der die größte Amplitude aufweist. Die von dem Schwingungs­ geber in die Grenzschicht eingeleitete und dort unter Auf­ nahme von Energie aus den gleichfrequenten Anteilen der stochastischen Strömungsschwangungen verstärkte Schwingung wird durch mindestens einen weiteren vorgesehenen Schwin­ gungsgeber durch gegenphasige oder gleichphasige Erregung ausgelöscht oder verstärkt.In such a device according to DE 33 16 393 C2 provided that that generated by a control device periodic control signal is equal in frequency to that Frequency component of a stochastic flow fluctuation, which has the greatest amplitude. The one from the vibration sensor introduced into the boundary layer and there under Auf take energy from the equal frequency portions of the stochastic flow vibrations amplified vibration is provided by at least one other Schwin generator by phase opposition or phase excitation wiped out or intensified.

Die Anordnung von Wirbelgeneratoren und/oder Grenzschichtab­ weisern zur Verminderung des Druckwiderstandes an der Ober­ fläche von Flugzeugen oder umströmten Körpern in beliebigen Medien ist in der DE 35 21 329 C2 beschrieben. Es sind Wir­ belgeneratoren und/oder Grenzschichtabweiser annähernd über die ganze Spannweite auf einer Linie im Bereich stromabwärts der größten Dicke von Flügel, Höhen- und Seitenleitwerk so­ wie annähernd über den ganzen Rumpfumfang im Heckbereich des Flugzeuges starr angeordnet.The arrangement of vortex generators and / or boundary layer indicate to reduce the pressure resistance on the upper area of airplanes or flowed around bodies in any Media is described in DE 35 21 329 C2. We are belt generators and / or boundary layer deflectors approximately the whole span on a line in the area downstream the greatest thickness of wing, elevator and vertical tail so as almost over the entire hull circumference in the rear area of the Airplane rigidly arranged.

Weiterhin ist eine Einrichtung zur Verringerung des strö­ mungsmechanischen Reibungswiderstandes bei Luft- und Raum­ fahrzeugen sowie Wasserfahrzeugen mit einer Rillenoberfläh­ henkonfiguration aus der DE 35 34 293 C2 bekannt. Die Ril­ lenoberflächenkonfiguration ist direkt aus einem Faserver­ bundwerkstoff-Material der herzustellenden Tragstruktur des Fahrzeuges gebildet.Furthermore, a device for reducing the current Mechanical frictional resistance in air and space vehicles and watercraft with a grooved surface  Henkonfiguration known from DE 35 34 293 C2. The Ril Len surface configuration is straight from a fiber material of the supporting structure of the Vehicle formed.

In der DE 39 13 678 C1 ist eine Vorrichtung zur Beeinflus­ sung der Grenzschicht von umströmten Körpern beschrieben, bei der Sensoren die Druck- und Strömungsverteilung an der Körperoberfläche messen und Sensorsignale in eine Auswerte­ schaltung eingeben. In der Oberfläche des umströmten Kör­ pers sind bündige Module mit um die Sensoren herum ange­ ordneten Aktuatoren vorhanden, die auf die Auswerteein­ richtung ansprechen. Die Aktuatoren sind mit aus der Ober­ fläche des Moduls entsprechend dem Zustand der Strömung teilweise oder insgesamt ausfahrbaren Teilen versehen.DE 39 13 678 C1 is a device for influencing solution of the boundary layer of flow-around bodies with the sensors the pressure and flow distribution at the Measure body surface and sensor signals in an evaluation enter circuit. In the surface of the body pers are flush modules with around the sensors assigned actuators available, which are based on the evaluations address direction. The actuators are also from the upper area of the module according to the state of the flow partially or totally extendable parts.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, durch welches die Grenzschicht eines um- bzw. durchströmten Körpers aktiv derart beeinflußt wird, daß der Aufbau einer Grenzschicht verhindert oder eine vorhandene Grenzschicht vermindert bzw. abgebaut werden kann.The invention is based on the object of a method propose through which the boundary layer of a flowed body is actively influenced such that the Prevention of a boundary layer or an existing one Boundary layer can be reduced or broken down.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der umströmten bzw. durchströmten äußeren Oberfläche des Körpers eine sich in Richtung der Strömung bewegende permanente Wel­ lenfront erzeugt wird, daß die Wellen der Wellenfront annä­ hernd senkrecht zur Bewegungsrichtung der Wellenfront ver­ laufen, und daß die der Oberfläche des Körpers nahekommen­ den Strömungspartikel von der Wellenfront wie ein Wellenrei­ ter in Richtung des Wellenverlaufes bewegt werden. The object is achieved in that on the flowed around or flowed through the outer surface of the body a permanent world moving in the direction of the current lenfront is generated that the waves of the wavefront approx ver perpendicular to the direction of movement of the wavefront run, and that they come close to the surface of the body the flow particle from the wave front like a wave egg ter are moved in the direction of the wave.  

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung besteht darin, daß die Wellenfront als wandernde Biegewelle in der äußeren aktiven Oberfläche des Körpers durch zwei überlagerte elektrische Schwingungen mit einer Phasenverschiebung von 90° erzeugt wird. Hierbei kann erfindungsgemäß die wandernde Biegewelle nach dem piezoelektrischen Effekt derart angeregt werden, daß die Formveränderungen an der aktiven Oberfläche des Kör­ pers durch eine Kopplung mit einem elektrischen Feld inner­ halb des Körpers bewirkt werden.A further development according to the invention is that the Wavefront as a moving bending wave in the outer active Surface of the body through two superimposed electrical Vibrations with a phase shift of 90 ° generated becomes. According to the invention, the traveling bending shaft can are excited according to the piezoelectric effect in such a way that the shape changes on the active surface of the body pers by coupling with an electric field inside half of the body.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daßFurther refinements of the invention consist in that

  • - ein Impulsverlust an den Vorder- und Rückseiten der Wellen der Wellenfront durch eine geeignete Wahl der Ausbreitungs­ geschwindigkeit der Wellenfront zumindest teilweise kompen­ siert wird, oder daß- a loss of momentum on the front and rear sides of the shafts the wavefront through an appropriate choice of propagation at least partially compensate for the speed of the wavefront or is that
  • - ein auf den umströmten Körper entgegen der Strömungsrich­ tung wirkender Schub dadurch erzeugt wird, daß die Ausbrei­ tungsgeschwindigkeit der Wellenfront einen von dem Körper, von der Strömungsgeschwindigkeit und von den Anströmwinkeln abhängigen Grenzwert überschreitet.- one on the flow around the body against the flow direction tion acting thrust is generated by the spread speed of the wavefront one of the body, of the flow velocity and the approach angles dependent limit value.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindungen bestehen darin, daß der Aufbau einer Grenzschicht an einem um- bzw. durchströmten Körper vollständig verhindert werden kann und daß im Extrem­ fall die Erzeugung einer Schubkraft möglich ist.The main advantages of the inventions are that the establishment of a boundary layer on a flow around or through Body can be completely prevented and that in the extreme if the generation of a thrust is possible.

Der Erfindung liegt das Teilchenmodell von Gasen zugrunde, nach dem sich der Aufbau einer Grenzschicht durch Impulsaus­ tausch des strömenden Mediums mit Unebenheiten der umström­ ten Körperfläche und weiterem Impulsaustausch mit den von der Oberfläche entfernten Schichten erklären läßt. Hierbei hängt der Reibungswiderstand einer umströmten Fläche ganz erheblich von der Rauhtiefe der Oberfläche ab, wobei zu be­ achten ist, daß Gase einen ihnen zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig ausfüllen, ohne erkennbare Dichteunter­ schiede in der Nähe von begrenzenden Oberflächen zu zeigen.The invention is based on the particle model of gases, after which the establishment of a boundary layer by impulse exchange of the flowing medium with unevenness of the flow body area and further exchange of impulses with those of to explain the removed layers. Here  the frictional resistance of a flowed area depends entirely significantly from the surface roughness, whereby be make sure that gases are available to them Fill the space evenly, with no apparent density below to show near boundary surfaces.

Ein Körper zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Unteranspruch 6 beschrieben, während eine Ausgestal­ tung dieses Körpers Anspruch 7 zu entnehmen ist.A body for performing the method according to the invention is described in dependent claim 6, while a Ausgestal tion of this body claim 7 can be seen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfin­ dung dargestellt, und zwar zeigen:In the drawing is an embodiment according to the inven shown, namely:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer nach dem obigen Verfah­ ren erzeugten permanenten Wellenfront 2 in der äuße­ ren aktiven Oberfläche 1 eines zeichnerisch nicht dargestellten umströmten Körpers, und Fig. 1 is a schematic diagram of a permanent wave front 2 generated according to the above procedural ren in the outer active surface 1 of a flow-around body, not shown in the drawing, and

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung über das Zusammenwirken von Wellenfront 2 und Strömung 3. Fig. 2 is a schematic representation of the interaction of the wave front 2 and flow. 3

Die aktive äußere Oberfläche 1 kann beispielsweise aus Si­ lizium hergestellt und mittels einer zeichnerisch nicht dar­ gestellten elastischen Zwischenschicht auf dem Körper befes­ tigt sein. Bei dem Körper kann es sich vorzugsweise um eine Tragfläche eines Luftfahrzeuges handeln, dessen Bewegungs­ richtung entgegengesetzt zur Strömungsrichtung verläuft. Hin­ gegen verläuft die Wellenfront 2 in Richtung der die Ober­ fläche 1 umströmenden Strömung 3. Bewegen sich die Wellen­ front 2 und die Strömung 3 annähernd mit gleicher Geschwin­ digkeit, so wird ein von hinten auf die ablaufende Wellen­ front 2 auftreffendes Strömungsteilchen einen wesentlich kleineren, einen Widerstand erzeugenden Impuls abgeben (vgl. Pkt. a von Fig. 2) als ein von vorne auf die auf­ laufende Wellenfront 2 auftreffendes Strömungsteilchen einen Impuls erhalten wird (vgl. Pkt b von Fig. 2). Für diesen Fall wird der umströmten Luft mehr Energie zuge­ führt, als ihr entzogen wird. Somit wird die Grenzschicht des umströmten Körpers vermindert. Überschreitet hingegen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenfront 2 einen Grenzwert, der von der Strömungsgeschwindigkeit, von den Anströmwinkeln und der Formgebung des umströmten Körpers abhängig ist, so wird ein auf den Körper entgegen der Strömungsrichtung wirkender Schub erzeugt.The active outer surface 1 can, for example, be made of silicon and fastened to the body by means of an elastic intermediate layer (not shown). The body can preferably be an aerofoil of an aircraft, the direction of movement of which is opposite to the direction of flow. Towards the opposite, the wavefront 2 runs in the direction of the flow 3 flowing around the upper surface 1 . If the waves front 2 and the flow 3 move approximately at the same speed, then a flow particle hitting the running waves from the front 2 will emit a significantly smaller, resistance-generating impulse (see point a of Fig. 2) than a flow particle impinging on the running wavefront 2 is received from the front (see point b of FIG. 2). In this case, the air flowing around is supplied with more energy than is extracted from it. The boundary layer of the flow around the body is thus reduced. If, on the other hand, the speed of propagation of the wavefront 2 exceeds a limit value which is dependent on the flow speed, on the flow angles and the shape of the flow around the body, a thrust acting on the body against the flow direction is generated.

Claims (7)

1. Verfahren zur aktiven Beeinflussung einer Grenzschicht eines umströmten bzw. durchströmten Körpers, vorzugs­ weise einer Tragfläche eines Luftfahrzeuges, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der umströmten bzw. durchströmten äußeren Oberfläche (1) des Körpers eine sich in Richtung der Strömung (3) bewegende permanente Wellenfront (2) erzeugt wird, daß die Wellen der Wellenfront (2) annä­ hernd senkrecht zur Bewegungsrichtung der Wellenfront (2) verlaufen, und daß die der Oberfläche (1) des Kör­ pers nahekommenden Strömungspartikel von der Wellenfront (1) wie ein Wellenreiter in Richtung des Wellenverlaufes bewegt werden.1. A method for actively influencing a boundary layer of a flowed or flowed body, preferably as an aerofoil of an aircraft, characterized in that on the flowed or flowed through outer surface ( 1 ) of the body a moving in the direction of the flow ( 3 ) permanent wavefront ( 2 ) is generated that the waves of the wavefront ( 2 ) run approximately perpendicular to the direction of movement of the wavefront ( 2 ), and that the surface ( 1 ) of the body approaching flow particles from the wavefront ( 1 ) like a wave rider be moved in the direction of the wave. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenfront (2) als wandernde Biegewelle in der äußeren aktiven Oberfläche des Körpers durch zwei über­ lagerte elektrische Schwingungen mit einer Phasenver­ schiebung von etwa 90° erzeugt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the wavefront ( 2 ) is generated as a traveling bending wave in the outer active surface of the body by two superimposed electrical vibrations with a phase shift of about 90 °. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wandernde Biegewelle nach dem piezoelektrischen Effekt derart angeregt wird, daß die Formveränderungen an der aktiven Oberfläche (1) des Körpers durch eine Kopplung mit einem elektrischen Feld innerhalb des Kör­ pers bewirkt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the traveling bending wave is excited according to the piezoelectric effect such that the shape changes on the active surface ( 1 ) of the body are caused by a coupling with an electric field within the body pers. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsverlust an den Vorder- und Rückseiten der Wellen der Wellenfront (2) durch eine geeignete Wahl der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenfront (2) zumin­ dest teilweise kompensiert wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a loss of momentum on the front and back sides of the waves of the wave front (2) at least by a suitable choice of the speed of propagation of the wave front (2) is partly compensated. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den umströmten Körper entgegen der Strömungs­ richtung wirkender Schub dadurch erzeugt wird, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenfront (2 ) einen von dem Körper, von der Strömungsgeschwindigkeit und von den Anströmwinkeln abhängigen Grenzwert überschreitet.5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a thrust acting on the flow-around body against the flow direction is generated in that the propagation speed of the wavefront ( 2 ) has a limit value dependent on the body, the flow speed and the flow angles exceeds. 6. Körper zur Durchführung des Verfahren nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Strömung zugewandte aktive äußere Oberfläche (1) des Kör­ pers mittels einer elastischen Zwischenschicht auf dem Körper befestigt ist.6. Body for performing the method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the active outer surface facing the flow ( 1 ) of the body is fixed by means of an elastic intermediate layer on the body. 7. Körper nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwen­ dung einer Oberfläche (1) des Körpers aus Silizium.7. Body according to claim 6, characterized by the use of a surface ( 1 ) of the body made of silicon.
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