DE19735269C1

DE19735269C1 - Vorrichtung zur Beeinflussung der Ablösung einer Strömung von einem umströmten Körper

Info

Publication number: DE19735269C1
Application number: DE19735269A
Authority: DE
Inventors: Fritz-Reinhard Dr Grosche; Viktor Bader
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: FR2767361B1; GB2333344A; US6176454B1; GB2333344B; FR2767361A1; GB9817109D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beeinflus sung der Ablösung einer Strömung von einem umströmten Körper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei dem umströmten Körper kann es sich beispielsweise um den Tragflügel eines Flugzeugs oder ein Rotorblatt eines Hubschrau bers oder Verdichters handeln.

Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist aus der EP 0 264 144 A2 bekannt. Unter der Oberfläche des umströmten Körpers sind mehrere Hohlräume angeordnet, die jeweils eine zu der Strömung an dem umströmten Körper führende Öffnung auf weisen. An jeden Hohlraum grenzt ein Lautsprecher an, mit dem Druckschwingungen in dem Hohlraum hervorgerufen werden können. Infolge der Druckschwingungen in dem Hohlraum tritt Strömungs medium, d. h. in der Regel Luft, durch die Öffnung des Hohlraums aus und ein. Auf diese Weise wird die Strömung an dem umströmten Körper durch Ausblasen und Absaugen angeregt. Mittels dieser Anregung kann die vollständige Ablösung der Strömung von dem umströmten Körper verzögert werden. Das heißt, sie erfolgt erst bei größeren Anstellwinkeln bzw. kleineren Geschwindigkeiten des umströmten Körpers relativ zu der Strömung, d. h. bei kleineren Reynoldszahlen. Die bekannte Vorrichtung besitzt jedoch einen aufwendigen Aufbau. Es sind nicht nur die Hohlräume und die Lautsprecher vorzusehen, sondern es muß auch eine Energiever sorgung für die Lautsprecher vorhanden sein.

Aus der DE 35 22 943 A1 ist eine Einrichtung zur Verringerung des turbulenten Reibungswiderstands bei Luft-, Raum- und Wasser fahrzeugen bekannt. Die Einrichtung umfaßt strömungsparallele Kanäle innerhalb der unmittelbar von der Strömung bespülten Oberfläche des jeweiligen Luft-, Raum- bzw. Wasserfahrzeugs. Die Kanäle weisen einen bis auf eine in Strömungsrichtung verlaufen de schlitzförmige Öffnung geschlossenen Querschnitt auf. Sie dienen zum Führen des oberflächennahen Teils der Strömung, um diesen laminaren Teil der Strömung an der Oberfläche zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, die einen besonders einfachen Aufbau aufweist und die daher mit geringem Aufwand realisierbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die neue Vorrichtung weist demnach keinen Lautsprecher oder ein anderes aktives Bauteil zum Hervorrufen von Druckschwingungen in dem Hohlraum auf. Die Druckschwingungen des Hohlraumresonators, dessen Bestandteil der Hohlraum bei der Erfindung ist, werden vielmehr durch die zu beeinflussende Strömung selbst angeregt. Die von der Strömung über die Öffnung angeregten Druckschwin gungen des Hohlraumresonators führen ihrerseits zu der gewünsch ten Anregung der Scherschicht der Strömung an dem umströmten Körper durch Ausblasen und Absaugen. Für die Erfindung ist es daher ausreichend, Hohlräume vorzusehen und als Teile von passiven Hohlraumresonatoren auszubilden, um die gewünschte Beeinflussung der Ablösung der Strömung von dem umströmten Körper zu erreichen. Es sind weder Lautsprecher noch irgend welche anderen aktiven Elemente noch eine Energieversorgung dieser aktiven Elemente erforderlich. Dennoch wird mit der Erfindung eine signifikante Beeinflussung der Ablösung der Strömung von dem umströmten Körper erreicht. So kann der maximale Anstellwinkel eines NACA 0012-Profils um mehrere Grade erhöht werden. Dies ist als absolut überraschend anzusehen angesichts des Aufwands, der mit aktiven Anregungen der Scher schicht betrieben wird und der auch nur zu einer Beeinflussung der Ablösung der Strömung von dem umströmten Körper in derselben Größenordnung führt.

Ein für die neue Vorrichtung geeigneter Hohlraum ist bis auf die zu der freien Scherschicht führenden Öffnungen geschlossen ausgebildet, um besonders einfach den definierten Aufbau einer Druckschwingung zu ermöglichen.

Die zu der Oberfläche des Körpers führende Öffnung des Hohlraums bildet in einer Alternative des Anspruchs 1 ein quer zu der Strömungsrichtung der Strömung verlaufender Schlitz aus. Der Schlitz kann in seiner Haupterstreckungsrichtung aber auch durch Stege unterbrochen sein, um die Stabilität der Oberfläche des umströmten Körpers aufrecht zu erhalten. Es ist letzlich auch möglich, daß einzelne Löcher, beispielsweise mit kreisrundem Querschnitt, die zu der Oberfläche des Körpers führende Öffnungen des Hohlraums ausbilden. Die im konkreten Anwendungs fall günstigste Ausführungsform hängt beispielsweise von der relativen Größe der Hohlraumresonatoren ab. Darüberhinaus sind die Strömungsbedingungen in der Haupterstreckungsrichtung beispielsweise eines Rotorblatt stark unterschiedlich und können entlang dieser Richtung unterschiedlich ausgebildete Hohlraum resonatoren verlangen, um die Scherschicht optimal anzuregen.

Ein bei der neuen Vorrichtung bevorzugter Hohlraumresonator weist einen quer zu der Strömungsrichtung der Strömung verlaufenden Hohlzylinder als Hohlraum auf.

Wenn der Hohlraum mehrere Öffnungen aufweist, können diese in mindestens zwei in der Strömungsrichtung der Strömung hinter einander liegenden Bereichen zu der Oberfläche des Körpers führen. Dabei können die Öffnungen von zwei zu einem gemeinsamen Hohlzylinder führenden Schlitzen ausgebildet werden. Die in zwei in der Strömungsrichtung der Strömung hintereinander liegenden Bereichen zu der Oberfläche des Körpers führenden Öffnungen haben den Vorteil, daß die Anregung des Hohlraumresonators durch die Strömung in einem Bereich erfolgen kann, in dem die Strömung stärkere Druckschwankungen oder eine höhere Geschwindigkeit aufweist und damit eine stärkere Anregung des Hohlraumresonators ermöglicht, während die Anregung der Scherschicht der Strömung an dem umströmten Körper durch die Druckschwingungen des Hohlraumresonators vornehmlich in einem anderen Bereich erfolgt, in dem die Beeinflussung der Ablösung der Strömung durch alternierendes Absaugen und Ausblasen besonders effektiv ist.

Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der Öffnungen des Hohlraum resonators dort vorgesehen, wo die freie Scherschicht der Strömung beginnt, sich von dem umströmten Körper abzulösen, oder gerade abgelöst ist. An dieser Stelle ist eine Beeinflussung der Scherschicht der Strömung zur Beeinflussung deren Ablöseverhal tens von dem umströmten Körper besonders effektiv.

Im Fall eines Tragflügels als umströmter Körper können Öffnungen des Hohlraumresonators konkret bei x'/c = 0,005 bis 0,050 vorgesehen sein, wobei c die Länge des umströmten Körpers ist. Diese Angaben beziehen sich insbesondere auf NACA-Profile von etwa NACA 0012. Wesentlich ist, daß sich die Öffnungen so nahe wie möglich am Ablösepunkt der Scherschicht befinden, der von der Profilform des umströmten Körpers und den Strömungsbedingun gen abhängig ist.

Zusätzliche Öffnungen des Hohlraumresonators können bei dem Tragflügel mit einem Abstand von x'/c = 0,010 bis 0,100 in Strömungsrichtung hinter den Öffnungen (6') bei x'/c = 0,005 bis 0,050 vorgesehen sein. Dieser Bereich befindet sich typischer weise hinter den Ansatzpunkten einer Ablösung der Strömung von dem umströmten Körper und die Strömung ist dort zu einer starken Anregung des Hohlraumresonators besonders geeignet.

Die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators kann im Frequenz bereich der natürlichen Instabilitätsfrequenz der freien Scher schicht, der ersten Subharmonischen der natürlichen Instabili tätsfrequenz der freien Scherschicht oder eines Zehntels der natürlichen Instabilitätsfrequenz der freien Scherschicht liegen. Diese Frequenzen eignen sich besonders gut zur Anregung einer Scherschicht zwecks Verhinderung der Ablösung der Strömung von einem umströmten Körper.

Bei der Abstimmung des Hohlraumresonators auf die voranstehend angegebenen Frequenzbereiche kann die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators als Resonanzfrequenz eines Helmholtz- Resonators oder analog zu einem quer oder senkrecht zu der Richtung der Strömungsrichtung der Strömung schwingenden Lambda/2-Resonator bestimmt werden. Hieraus können sich höchst unterschiedliche Dimensionen der optimal auf einen Einzelfall abgestimmten Hohlraumresonatoren ergeben. Bei einem Rotorblatt sind bereits in dessen Haupterstreckungsrichtung nebeneinander liegende Hohlraumresonatoren bei optimaler Abstimmung unter schiedlich ausgebildet. Alle hier gegebenen konkreten Beispiele für Hohlraumresonatoren sind daher unter dem Vorbehalt zu betrachten, daß sie auf bestimmte Strömungsbedingungen abgestimmt sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Meßanordnung zur Überprüfung der Auswirkung der neuen Vorrichtung auf ein NACA 0012-Profil in der Draufsicht,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Meßanordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Detail des Querschnitts gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Fig. 3 entsprechendes Detail bei einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 5 die Druckverteilung auf der Saugseite des NACA 0012- Profils für Anstellwinkel von 4°, 8° und 12° bei einer Reynoldszahl Re = 6,9 × 10⁵,

Fig. 6 die Druckverteilung auf der Saugseite des NACA 0012- Profils für Anstellwinkel von 13°, 14° und 15° bei der Reynoldszahl Re = 6,9 × 10⁵ und

Fig. 7 die Druckverteilung auf der Saugseite des NACA 0012- Profils für einen Anstellwinkel von 14° bei Anwendung der neuen Vorrichtung, ohne Anwendung der neuen Vor richtung und bei Ausschaltung der neuen Vorrichtung durch Öffnen des Hohlraumresonators.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein NACA 0012-Profil als Beispiel für einen von einer Strömung 2 umströmten Körper 1. Die Strömung ist durch Pfeile angedeutet. Die Strömung 2 bildet an der Oberfläche 10 des umströmten Körpers 1 eine Scherschicht 11 aus. In dem umströmten Körper 1 ist hintereinander ein Reihe von Druck bohrungen 3 vorgesehen, um die Druckverteilung auf der Saugseite des NACA 0012-Profils zu ermitteln. Bei dem NACA 0012-Profil werden eine Saugseite 12 und eine Druckseite 13 des umströmten Körpers 1 allein durch einen Anstellwinkel α des Profils gegen über der Strömung 2 definiert. Die Saugseite 12 des NACA 0012- Profils ist die Seite des umströmten Körpers 1, die um den Anstellwinkel α von der Strömung 2 weg geneigt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beeinflussung der Ablösung der Strömung 2 von dem umströmten Körper 1 besteht gemäß den Fig. 1 und 2 aus einem Hohlraumresonator 4 bis 6. Der Hohl raumresonator 4 bis 6 umfaßt einen Hohlzylinder 4 und einen Schlitz 5 mit dessen zu der Oberfläche 10 des Körpers 1 führen den Öffnung 6. Die Öffnung 6 des Hohlraumresonators 4 bis 6 befindet sich in Strömungsrichtung bei x'/c = 0,013. Das heißt, sie ist nach 13/1.000 der Länge c des umströmten Körpers 1 in Strömungsrichtung vorgesehen. Hierbei handelt es sich um den kritischen Bereich, in dem eine Ablösung der Strömung 2 von dem umströmten Körper 1 bei größeren Anstellwinkeln und/oder kleineren Anströmgeschwindigkeiten beginnt.

Der Hohlraumresonator 4 bis 6 ist in Fig. 3 vergrößert wieder gegeben. Der Schlitz 5 und die Öffnung 6 weisen eine Weite w von 0,5 mm und eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Breite b von 120 mm auf. Die Tiefe t des Schlitzes 5 und der Durchmesser d des Hohlzylinders 4 betragen 10 mm. Der Hohlzylinder 4 weist eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Breite B von 300 mm auf, die sich über den gesamten umströmten Körper 1 gemäß Fig. 1 erstreckt.

Bei Annahme eines idealen Helmholtz-Resonators ergibt sich die Resonanzfrequenz F_R des Hohlraumresonators 4 bis 6 gemäß:

Dabei ist v_S die Schallgeschwindigkeit, V_O das Volumen des Hohl zylinders 4, A die Fläche des Querschnitts des Schlitzes 5 bzw. der Öffnung 6 und t die Tiefe des Schlitzes 5. Aus den oben angegebenen Werten errechnet sich V_O zu 23.600 mm³ und A zu 60 mm². Daraus folgt eine Resonanzfrequenz F_R von etwa 5.400 Hz.

Betrachtet man den Hohlzylinder 4 als Lambda/2-Resonator, bei dem die Breite B der halben Wellenlänge der ersten Grund schwingung entspricht, so beträgt die Grundresonanzfrequenz F_GR des Hohlraumresonators 4 bis 6 2v_S/B = 550 Hz, und die Oberschwingungen des Hohlraumresonators weisen Frequenzen von n . 550 Hz auf.

Diese Resonanzfrequenzen liegen sämtlich im Frequenzbereich der Instabilitätsfrequenz (Kelvin-Helmholtz-Instabilität) bzw. der ersten Subharmonischen der Instabilitätsfrequenz der freien Scherschicht im Reynoldszahlenbereich von Re = 10⁵ bis 10⁶. Die Instabilitätsfrequenzen können durch Hitzdrahtmessungen an dem umströmten Körper bestimmt werden.

Konkret wurde bei dem Schlitz am Ort x'/c = 0,013 die Anregung des Hohlraumresonators 4 bis 6 im Sinne eines Lambda/2- Resonators beobachtet. Bei einem gleichen, jedoch mit einem Schlitz am Ort x'/c = 0,050 versehenen Hohlraumresonator wurde eine Anregung im Sinne eines Helmholtz-Resonators beobachtet. Hierbei wiesen die Druckschwingungen in dem Hohlraumresonator 4 bis 6 eine größere Amplitude als bei x'/c = 0,013 auf.

Dies wird bei der Ausführungsform des Hohlraumresonators 4 bis 6 gemäß Fig. 4 gezielt ausgenutzt, die bei bestimmten Anström geschwindigkeiten und -winkeln besondere Vorteile erbringt, während sich bei größeren Anströmgeschwindigkeiten und -winkeln allein der weit vorne liegende Schlitz für die gezielte Anregung der freien Scherschicht als günstig herausgestellt hat. Gemäß Fig. 4 führen zwei Schlitze 5' und 5" von dem Hohlzylinder 4 zu der Strömung 2. Dabei ist die Öffnung 6' des Schlitzes 5' am Ort x'/c = 0,013 und die Öffnung 6" des Schlitzes 5" am Ort x'/c = 0,050 vorgesehen. Bei dieser Konstellation werden Druckschwin gungen in dem Hohlraumresonator 4 bis 6 im wesentlichen durch Wechselwirkungen der Strömung mit der Öffnung 6" des Schlitzes 5" angeregt, während die Druckschwingungen ihre vornehmliche Wirkung über der Öffnung 6' des Schlitzes 5' entfachen, indem sie dort die Scherschicht 11 der Strömung 2 anregen.

Ein aktives Bauteil, das Druckschwingungen in den Hohlraum resonator 4 bis 6 hervorruft, ist bei der Vorrichtung nicht vorgesehen. Die Anregung der Druckschwingung des Hohlraumresona tors 4 bis 6 erfolgt durch Druckschwankungen in der Strömung 2 und/oder die flötenartige Schneidenwirkung der Strömung zuge wandten Kanten der zu der Oberfläche des umströmten Körpers führenden Öffnungen. Dennoch werden erhebliche Verzögerungen der Ablösung der Strömung 2 von dem umströmten Körper 1 erreicht. Dies wird anhand der Fig. 5 bis 6 deutlich.

Fig. 5 erläutert die Änderung der Druckverteilung auf der Saugseite des Profils mit steigendem Anstellwinkel bei einem NACA 0012-Profil. Der erreichbare negative Druckkoeffizient -Cp wächst mit ansteigendem Anstellwinkel an. Der maximale Unter druck auf der Saugseite gibt sich kurz vor dem Abreißen der Strömung von dem umströmten Körper, d. h. kurz vor dem Erreichen des kritischen Anstellwinkels.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten NACA 0012-Profil und einer Anströmgeschwindigkeit von 34,5 m/s, was einer Reynoldszahl Re = 6,9 × 10⁶ entspricht, liegt der kritische Anstellwinkel zwischen 13° und 14°. Dies wird anhand von Fig. 6 deutlich. Bei einem Anstellwinkel von 13° wird noch ein maximaler negativer Druckkoeffizient -Cp von ca. 4 erreicht. Bei einem Anstellwinkel von 14° oder gar 15° wird hingegen kein nennenswerter maximaler Unterdruck mehr erreicht.

Mit der Erfindung kann der kritische Anstellwinkel jedoch auf über 14° angehoben werden. Dies zeigt Fig. 7, zu der sämtliche Kurven 7 bis 9 bei einem Anstellwinkel von 14° aufgenommen wurden. Die oberste Kurve 7 gehört zu der Ausführungsform der Erfindung gemäß den Fig. 1 bis 3. Die Kurve 7 läßt erkennen, daß trotz des Anstellwinkels von 14° ein maximaler negativer Druckkoeffizient -Cp von über 4 erreicht wird. Im Vergleich dazu zeigt Kurve 9 noch einmal die Druckverteilung ohne die Erfindung und entspricht damit der Kurve 14° in Fig. 6. Als weiteren Vergleichswert zeigt Fig. 8 die Druckverteilung für den Fall, daß der Hohlzylinder 4 an den Seiten des umströmten Körpers 1 geöffnet wird, so daß die Anordnung 4 bis 6 ihre Funktion als Hohlraumresonator verliert und sich keine Druckschwingungen ausbilden können. Auch in diesem Fall ist im Gegensatz zur Erfindung bei 14° der kritische Anstellwinkel bereits eindeutig überschritten.

Erstaunlich ist insbesondere der geringe Aufwand für die Erfindung, der für die deutliche Verzögerung der Ablösung der Strömung von dem umströmten Körper ausreicht.

Bezugszeichenliste

1

- Körper

2

- Pfeil/Strömung

3

- Druckbohrung

4

- Hohlzylinder

5

- Schlitz

6

- Öffnung

4-6

- Hohlraumresonator

7

- Kurve

8

- Kurve

9

- Kurve

10

- Oberfläche

11

- Scherschicht

12

- Saugseite

13

- Druckseite

Claims

1. Vorrichtung zur Beeinflussung der Ablösung einer Strömung von einem umströmten Körper, mit der eine Scherschicht der Strömung über dem umströmten Körper durch periodisches Ausblasen und Absaugen anregbar ist, um einem weiteren Ablösen der Scherschicht von dem umströmten Körper entgegenzuwirken, wobei in dem umströmten Körper mindestens ein Hohlraum vorgesehen ist, der mindestens eine zu der Oberfläche des Körpers führende Öffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (4) quer zu der Strömungsrichtung der Strömung (2) angeordnet und Teil eines passiven Hohlraumresonators (4 bis 6) ist, wobei ein quer zu der Strömungsrichtung der Strömung (2) verlaufender Schlitz (5), ein quer zu der Strömungsrichtung der Strömung (2) verlaufender und in seiner Haupterstreckungsrichtung durch Stege unterbrochener Schlitz oder eine Reihe einzelner Löcher die zu der Oberfläche (10) des Körpers (1) führende(n) Öffnung(en) (6) des Hohlraums (4) ausbildet bzw. ausbilden und wobei der Hohlraumresonator (4 bis 6) durch die Strömung (2) zu Druck schwingungen angeregt wird und die Druckschwingungen des Hohl raumresonators (4 bis 6) die Scherschicht (11) anregen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (4) bis auf die zu der Oberfläche (10) des Körpers (1) führende(n) Öffnung(en) (6) geschlossen ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum einen quer zu der Strömungsrichtung der Strömung (2) verlaufenden Hohlzylinder (4) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Hohlraum (4) mehrere Öffnungen (6', 6'') aufweist, die in mindestens zwei in der Strömungsrichtung der Strömung (2) hintereinander liegenden Bereichen zu der Ober fläche (10) des Körpers (1) führen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß Öffnungen (6, 6') des Hohlraumresonators (4 bis 6) dort vorgesehen sind, wo die freie Scherschicht der Strömung (2) beginnt, sich von dem umströmten Körper (1) abzu lösen, oder gerade abgelöst ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der umströmte Körper (1) ein Tragflügel ist und daß Öffnungen (6') des Hohlraumresonators (4 bis 6) bei x'/c = 0,005 bis 0,050 vorgesehen sind, wobei c die Länge des umströmten Körpers (1) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Öffnungen (6'') des Hohlraumresonators (4 bis 6) mit einem Abstand von x'/c = 0,010 bis 0,100 hinter den Öffnungen (6') bei x'/c = 0,005 bis 0,050 vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (4 bis 6) eine Resonanz frequenz aufweist, die im Frequenzbereich der natürlichen Insta bilitätsfrequenz der freien Scherschicht (11), der ersten Subharmonischen der natürlichen Instabilitätsfrequenz der freien Scherschicht oder eines Zehntels der natürlichen Instabilitäts frequenz der freien Scherschicht liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators (4 bis 6) als Reso nanzfrequenz eines Helmholtz-Resonators oder als Resonanz frequenz eines quer oder senkrecht zur Strömungsrichtung der Strömung (2) schwingenden Lambda/2-Resonators bestimmt wird.