DE19814795C1

DE19814795C1 - Verfahren zum Erfassen des Strömungswiderstandes

Info

Publication number: DE19814795C1
Application number: DE1998114795
Authority: DE
Inventors: Martin Huebner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: HUEBNER, MARTIN, DR., 65205 WIESBADEN, DE
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2018-04-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen des Strömungswiderstands an beliebigen Körpern mit Wellenwiderstandsanteil.

Im Allgemeinen ist der überproportionale Widerstandsanstieg (Dragrise) bei steigendem Staudruck im Wesentlichen durch die Entstehung des Wellenwiderstands bedingt. Der Wellenwiderstand wird durch mindestens einen entropiebehafteten Stoß hervorgerufen, der durch einen kurzen und heftigen Druckanstieg in Strömungsrichtung gekennzeichnet ist.

Bei Flugkörpern, wie speziell Flugzeugen, bedeutet ein erhöhter Strömungswiderstand erhöhten Kraftstoffverbrauch sowie schlechtere Flugleistungen. Durch neueste Forschungsarbeiten hat sich ergeben, daß durch Optimierung der Aerodynamik des Tragflügels, insbesondere durch eine adaptive Strukturänderung (Konturveränderung, Bump) während des Fluges in Abhängigkeit der Strömungsverhältnisse um den Flügel eine deutliche Verringerung des Treibstoffbedarfs von bis zu zehn Prozent möglich ist, so daß die Wirtschaftlichkeit der Flugzeuge erheblich gesteigert werden kann. Für eine adaptive Strukturregelung besteht die Notwendigkeit, den Strömungswiderstand zu erfassen sowie den Ort der erforderlichen Strukturänderung zu lokalisieren.

Verfahren zum Erfassen des Strömungswiderstandes sind bekannt. Die meisten dieser Verfahren sind jedoch nur als Laboraufbauten realisierbar und nicht operationell im Flugbetrieb einsetzbar. Gerade die Erfassung des Strömungswiderstandes im Flugbetrieb ist aber für einen Regelkreis, der eine optimale Anpassung der Flügelkonfiguration an den jeweiligen Flugzustand im operationellen Betrieb ermöglicht, von besonderer Bedeutung.

Die Druckschrift DE 44 22 152 A1 zeigt ein Verfahren zum Optimieren der aerodynamischen Wirkung eines Tragflügels durch definierte Wölbungsänderung. Dabei wird die für einen Flugzustand anhand der Wölbungsänderung bewirkte Strömung ermittelt und mit Sollwerten verglichen. Die Differenz wird durch Änderung der Wölbung minimiert.

Zur Ermittlung der Strömung wird die Druckverteilung am Flügel gemessen und in Form eines Cp-Diagramms dargestellt.

In der Veröffentlichung "Aerodynamik des Flugzeugs" von H. Schlichting und E- Truckenbrodt, 1. Band, 2. Auflage, S. 378-382, Springer-Verlag, ist der dimensionslose Druckbeiwert Cp definiert, der sich aus den gemessenen Druckverteilungen über die Flügeltiefe ergibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Erfassen des Strömungswiderstandes zur Verfügung zu stellen, welches im Flugbetrieb einsetzbar ist, um dadurch die Werte für einen Regelkreis eines adaptiven Flügels zu liefern.

Weiterhin soll das erfindungsgemäße Verfahren eine Lokalisierung des geometrischen Ortsbereiches einer erforderlichen Konturveränderung in erster Näherung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Demnach wird im Bereich des wellenwiderstandserhöhenden entropiebehafteten Stoßes jeweils der Druckverlauf in Strömungsrichtung an der Kontur durch geeignete Druckaufnehmer gemessen. Aus den Werten für den Druck kann anschließend der Strömungswiderstand ermittelt werden. Weiterhin kann durch die Auswertung des Druckverlaufs der geometrische Ortsbereich einer erforderlichen Konturveränderung entlang des Flügels in erster Näherung ermittelt werden.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine Illustration eines adaptiven Flügels, der mit Vorrichtungen zur Erfassung des Strömungswiderstandes gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist und ein Diagramm des entsprechenden Regelkreises;

Fig. 2a ein Diagramm des Druckverlaufs sowie dessen ersten und zweiten Ableitung ohne Konturveränderung (Bump); und

Fig. 2b ein Diagramm des Druckverlaufs sowie dessen ersten und zweiten Ableitung mit Konturveränderung (Bump).

Gemäß Fig. 1 wird der Druckverlauf entlang eines Flügels 1 gemessen. Die Meßdaten der zu diesem Zweck eingesetzten Druckaufnehmer 2, 2', die mehrere Sen soren 3 enthalten, werden in einer Auswerteeinheit 4 ausgewertet und über eine Regelungseinrichtung 5 zur Regelung der Aktoransteuerung 6 verwendet. In Fig. 1 wird auch der durch die Auswerteeinrichtung erhaltene Druckverlauf in Profiltie fenrichtung illustriert.

Aus druckmeßtechnischen oder konstruktiven Gründen kann auch eine versetzte Anordnung der Druckaufnehmer 2, 2' gewählt werden, solange der Druckgradient quer zur Strömungsrichtung vernachlässigbar klein ist. Die Druckverteilung p(x) (x ist die Koordinate in Profiltiefenrichtung) kann sowohl an diskreten Stellen, z. B. durch Drucksensoren 3, als auch kontinuierlich, z. B. durch druckempfindli che Folien, gemessen werden.

Diesem meßtechnischen Teil des Verfahrens schließt sich eine informationstech nische Weiterführung in Form einer Signalverarbeitung an:

Der gemessene Druckverlauf p(x) wird zunächst in die dimensionslose Form Cp(x) überführt. Cp(x) entspricht der Kurve K1 in den Fig. 2a und 2b. Dazu müs sen der Staudruck, gebildet aus Dichte des Mediums und Anströmgeschwindigkeit (für ein Flugzeug ist die Anströmgeschwindigkeit die Bahngeschwindigkeit relativ zur umgebenden Luft) und der Umgebungsdruck (statischer Druck) vorliegen. Die Gleichung für die dimensionslose Form Cp(x) lautet:

mit:
p_∞ = Umgebungsdruck [N/m²]
ρ = Dichte des Mediums [kg/m³]
u_∞ = Anströmgeschwindigkeit [m/s]

Aus Cp(x) lassen sich nun wahlweise zwei verschiedene Maßzahlen berechnen, die gleichermaßen als Maß für den Strömungswiderstand verwendet werden kön nen.

Die erste Maßzahl wird durch den Verlauf des Druckgradienten dCp(x)/dx be stimmt. In den Fig. 2a und 2b entspricht die Kurve K2 dem Verlauf des Druck gradienten. Der Druckgradient wird üblicherweise durch numerische Differentia tion gebildet. Das Extremum des Druckgradientenverlaufs, gleich welcher Lage in der Druckverteilung, wird als Maß für den Strömungswiderstand ausgegeben. Da es sich um einen Druckanstieg handelt, hat das Extremum immer ein positives Vorzeichen.

Als zweite Maßzahl kann die Fläche unter der zweiten Ableitung d²Cp(x)/dx² (Kurve K3 gemäß Fig. 2a und 2b) dienen, weil die zweite Ableitung vor und nach dem Druckanstieg etwa null ist. Das Flächenmaß, ebenfalls immer positiv, wird dann von der Auswerteeinheit 4 als Maß für den Strömungswiderstand ausgege ben.

Die Fig. 2a und 2b illustrieren die Wirkung einer Konturveränderung sowie die Eignung der beiden erfindungsgemäßen Maßzahlen zur Erfassung des Stromwi derstandes: In Fig. 2a hat das Extremum des Druckgradientenverlaufs M (Kurve K2) im unoptimierten Zustand einen deutlich höheren Maximalwert als die ent sprechende Kurve K2 im optimierten Zustand in Fig. 2b. Ebenfalls ist die Fläche unter der Kurve der zweiten Ableitung K3 im optimierten Zustand (Fig. 2b) deut lich kleiner als die entsprechende Fläche in Fig. 2a. Deutlich zu erkennen ist die Eignung der beiden erfindungsgemäßen Größen für die Erfassung des Strö mungswiderstandes.

Das so ermittelte Maß für den Strömungswiderstand ist selbstverständlich nicht mit dem Widerstandsbeiwert Cw gleichzusetzen, folgt diesem aber in relativer Weise. Steigt der tatsächliche Widerstand, z. B. in Abhängigkeit von der Körper kontur an, so steigt auch die mit der beschriebene Methode gewonnene Maßzahl.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Strömungswiderstandes ist geeignet, um den Einfluß einer Variation der Kontur, der Oberflächenbeschaffen heit des umströmten Körpers oder der Anströmbedingungen, denen der Körper unterliegt, im operationellen Betrieb darzustellen.

Damit läßt sich ein Regelsystem zu einem Regelkreis schließen, das auf der Basis seiner Regelungseigenschaften in Verbindung mit einer strömungsbeeinflussenden Aktorik den Strömungswiderstand im operationellen Betrieb in einen besonderes günstigen Wert führen kann.

Außerdem ist durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, eine Information über die Koordinaten einer erforderlichen Konturveränderung (Bump) entlang des Flügels zu erhalten. Dies geschieht in erster Näherung durch die Ermittlung des Extremums des Druckgradientenverlaufs bzw. des Nulldurchgangs der zweiten Ableitung der Druckverteilung im unmittelbaren Stoßbereich.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen des Strömungswiderstandes an beliebigen Profilen mit Wellenwiderstandsanteil längs deren Profiltiefe und insbesondere für Flügel (1) von Flugzeugen mit folgenden Schritten:
Messen des Druckverlaufs als Funktion der Profiltiefenkoordinate x;
Überführen des gemessenen Druckverlaufs p(x) in die dimensionslose Größe Cp(x), wobei gilt: mit:
p_∞ = Umgebungsdruck [N/m²]
ρ = Dichte des Mediums [kg/m³]
u_∞ = Anströmgeschwindigkeit [m/s]
Bilden der ersten Ableitung der dimensionslosen Größe Cp(x); und
Bestimmen des Extremwertes der ersten Ableitung der dimensionslosen Größe Cp(x) als Maß für den Strömungswiderstand.

2. Verfahren zur Erfassung des Strömungswiderstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinaten des Extremums des Druckgradientenverlaufs bzw. des Nulldurchgangs der zweiten Ableitung des Druckverlaufs im unmittelbarem Stoßbereich den geometrischen Ortsbereich einer erforderlichen Konturveränderung (Bump) zur Verringerung des Strömungswiderstandes entlang des Flügels (1) bilden.

3. Verfahren zur Erfassung des Strömungswiderstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf durch Drucksensoren (3) an diskreten Stellen gemessen wird.

4. Verfahren zur Erfassung des Strömungswiderstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf durch druckempfindliche Folien kontinuierlich gemessen wird.

5. Verfahren zur Erfassung des Strömungswiderstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Ableitung der dimensionslosen Größe Cp(x) durch numerische Differentiation gebildet werden.