DE202008004531U1

DE202008004531U1 - Von Fluid umströmte Oberfläche eines Flug- oder Strömungskörpers

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Publication number: DE202008004531U1
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Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2018-04-03

Abstract

Oberfläche eines Flug- oder Strömungskörpers (1; 2; 3), die von Fluid, insbesondere Luft oder Wasser, umströmt ist, insbesondere die Oberfläche eines Rumpfes, einer Tragfläche oder eines Leitwerks eines Flugzeuges, einer Rakete, eines Geschosses, einer Strömungs- oder Leitschaufel oder eines Propellers, wobei die Oberfläche Strukturelemente in Form von Vertiefungen oder Erhebungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche, quer zur Hauptströmungsrichtung (S), mit rillenförmigen ersten Makrovertiefungen (10) versehen ist, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Neuerung betrifft eine von Fluid umströmte Oberfläche eines Flug- oder Strömungskörpers. Unter Flug- oder Strömungskörper sollen nachfolgend alle infrage kommenden Körper verstanden werden, die bei betriebsbedingter Verwendung von einem gasförmigen Fluid, insbesondere Luft, und von einem flüssigen Fluid, insbesondere Wasser, umströmt werden. Bei in Luft bewegten Körpern handelt es sich insbesondere um Flugzeuge, Raketen, Geschosse, bei von Luft umströmten bewegten oder stationär angeordneten Körpern insbesondere um Strömungs- oder Leitschaufeln oder Propeller, bei in Wasser bewegten Körpern um Schiffe im weitesten Sinne und bei von Wasser umströmten bewegten oder stationär angeordneten Körpern um Strömungs- oder Leitschaufeln oder Propeller.
STAND DER TECHNIK
Bei umströmten Körpern der vorgenannten Art ist die Widerstandskraft von besonderer Bedeutung, die auf den Körper wirkt. Diese Widerstandskraft bestimmt entscheidend die Energie, die zur Fortbewegung, beispielsweise beim Flugzeug, der Rakete oder dem Schiff, oder zum Antrieb, beispielsweise bei einer Strömungsmaschine im weitesten Sinne, die Strömungsschaufeln oder Propeller aufweist, erforderlich ist.
Der die Widerstandskraft bestimmende, vom umströmten Körper induzierte Widerstand wird zweckmäßig in zwei Teile zerlegt, in den Formwiderstand und den Oberflächenwiderstand. Unter Formwiderstand versteht man die in Strömungsrichtung wirkende resultierende Kraft aller Normaldrücke, die auf den Körper wirken. Sie ergeben dann eine Resultierende in Strömungsrichtung, wenn durch Ablösungen „Totwassergebiete" entstanden sind, und dadurch die bei reibungsfreier Strömung vorhandene Drucksymmetrie verloren geht. Die Reibung ist hier nur die indirekte Ursache des Widerstandes.
Unter Oberflächenwiderstand versteht man die in Strömungsrichtung wirkende resultierende Kraft aller Schubspannungen, die auf die Körperoberfläche wirken. Es handelt sich um einen reinen Reibungswiderstand.
Im Allgemeinen wirken Formwiderstand und Oberflächenwiderstand zusammen. Der Formwiderstand lässt sich durch konstruktive Maßnahmen weitgehend verringern. Der Oberflächenwiderstand ist – sofern die Flächen schon hydraulisch glatt sind – nur dadurch zu verringern, dass man den Umschlag in turbulente Grenzschicht verhindert oder ggf. nach hinten verschiebt (Laminarprofile). Es lässt sich generell folgende Feststellung treffen: Der Formwiderstand ist am kleinsten bei turbulenter Grenzschicht; der Oberflächenwiderstand ist am kleinsten bei laminarer Grenzschicht.
Der Formwiderstand wird entscheidend davon bestimmt, ob die Strömung von der umströmten Oberfläche ablöst. Die Vermeidung solcher Ablösungen ist deshalb von großer praktischer Bedeutung. Sie lassen sich durch konstruktive Maßnahmen in Art und Umfang beeinflussen. Dort, wo Ablösungsgefahr besteht, befähigt der durch Wandreibung entstehende Energieverlust der wandnahen Schichten, die sog. Grenzschicht, diese nicht mehr, Geschwindigkeit in Druck umzusetzen. Schafft man diese ermüdeten Teilchen in irgendeiner Weise weg, so ist eine Besserung zu erwarten. Es ist bekannt, durch Absaugung die Grenzschicht zu beseitigen, um so neue Schichten an die Wand zu legen, die größere Geschwindigkeit haben.
Will man die kritische Grenzschicht, wie vorstehend beschrieben, nicht beseitigen, dann bleibt nur die Möglichkeit, die Ablösungen und damit den Formwiderstand und schließlich die resultierende Widerstandskraft durch konstruktive Maßnahmen zu beeinflussen. So wird beispielsweise die Stabilität der Flugbahn und die Flugweite eines Golfballes durch konstruktive strukturelle Maßnahmen (Profilierung der Oberfläche) wirksam positiv beeinflusst.
Es ist Aufgabe der Neuerung, die auf den umströmten Flug- oder Strömungskörper wirkende Widerstandskraft, insbesondere durch Einflussnahme auf den Formwiderstand, gegenüber bekannten Lösungen nach dem Stand der Technik zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG DER NEUERUNG
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 oder im nebenordneten Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der von Fluid umströmten Oberfläche eines Flug- oder Strömungskörpers sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Der grundlegende Lösungsgedanke der Neuerung besteht darin, dass durch die Strukturierung der umströmten Oberfläche in Form von ersten oder zweiten Makrovertiefungen die Bildung einer turbulenten Grenzschicht planmäßig befördert wird, wodurch sich der Formwiderstand des umströmten Flug- oder Strömungskörpers gegenüber jenem ohne diesbezügliche Strukturierung verringert.
Die Strukturierung gelingt nach einer bevorzugten Ausführungsform dadurch, dass die Oberfläche, quer zur Hauptströmungsrichtung, mit rillenförmigen ersten Makrovertiefungen versehen ist, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Die Strukturierung gelingt weiterhin nach einer anderen Ausführungsform dadurch, dass die Oberfläche mit zweiten Makrovertiefungen versehen ist, die punktuell ausgebildet sind und die umströmte Oberfläche gleichmäßig verteilt belegen. Diese Vertiefungen besitzen vorzugsweise kalottenförmige Gestalt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Neuerung ist bei der vorg. ersten Ausführungsform die in der Hauptströmungsrichtung gemessene maximale Breite der rillenförmigen ersten Makrovertiefung wenigstens so groß wie der Abschnitt einer unvertieften Oberfläche zwischen benachbarten ersten Makrovertiefungen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die die rillenförmige erste Makrovertiefung eine kreisbogenabschnittsförmige Gestalt aufweist.
Die punktuell und vorzugsweise kalottenförmig ausgebildeten zweiten Makrovertiefungen werden, wie dies eine weitere Ausgestaltung vorsieht, reihenförmig angeordnet, wobei jede Reihe quer zur Hauptströmungsrichtung orientiert ist und wobei die zweiten Makrovertiefungen benachbarter Reihen auf Lücke gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Der Ablösungsneigung der Strömung von der umströmten Oberfläche wird darüber hinaus entgegengewirkt, wenn, wie dies weiterhin vorgeschlagen wird, die umströmte Oberfläche insgesamt, strukturiert mit den ersten oder den zweiten Makrovertiefungen, mit einer Vielzahl Mikrovertiefungen versehen ist. Diesbezüglich sieht eine erste Ausgestaltung vor, dass die Mikrovertiefungen rillenförmig ausgebildet sind, parallel zueinander verlaufen und quer zur Hauptströmung orientiert sind. Alternativ hierzu ist nach einer zweiten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Mikrovertiefungen punktuell und kalottenförmig ausgebildet sind und die umströmte Oberfläche gleichmäßig verteilt belegen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Neuerung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Während die Neuerung in den verschiedensten Ausbildungsformen realisierbar ist, werden in den Zeichnungen die besonders bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt und nachfolgend beschrieben unter der Voraussetzung, dass diese nur Beispiele für die Neuerung darstellen, nicht aber die Neuerung auf diese speziell dargestellten Beispiel beschränkt ist. Es zeigen
1 in Ansicht eine von Luft umströmte Rakete mit einer neuerungsgemäß ausgestalteten Oberfläche, die erste rillenförmige Makrovertiefungen quer zur Strömungsrichtung aufweist;
2 in perspektivischer Darstellung den Anströmbereich der Rakete gemäß
1 oder eines Flugzeuges oder eines Geschosses;
2a in vergrößerter Darstellung eine in 2 mit „X" gekennzeichnete Einzelheit der umströmten Oberfläche, wobei diese Einzelheit im Schnitt dargestellt ist und der Schnittverlauf in Strömungsrichtung orientiert ist;
3 in perspektivischer Darstellung die Tragfläche eines Flugkörpers (z. B. eines Flugzeuges) und einen Teil des angrenzenden Rumpfes;
3a in näherungsweise perspektivischer Darstellung einen Teil des Leitwerks eines Flugkörpers (z. B. eines Flugzeuges) und einen Teil des angrenzenden Rumpfes und
4 einen Querschnitt durch den Rumpf eines Flugkörpers (z. B. einer Rakete oder eines Flugzeuges) gemäß 1 und entsprechend einem dort mit A-A gekennzeichneten Schnittverlauf.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Flug- oder Strömungskörper 1, 2, 3 in Form einer Rakete 2 (1) bewegt sich im Luftmeer, so dass sich eine dargestellte Hauptströmungsrichtung S des Fluids Luft ausbilden kann. Die umströmte Oberfläche der Rakete 2 ist, quer zur Hauptströmungsrichtung S, sowohl in ihrem vorderen Bereich, einem Anströmbereich 2.1, als auch in einem Rumpfbereich 2.2 und bis hin zu einem Abströmbereich mit rillenförmigen ersten Makrovertiefungen 10 versehen, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Bei dem vorderen Bereich könnte es sich auch um eine Nase 1.1 eines Flugzeuges 1 oder um eine kegelförmige Spitze 3.1 eines Geschosses 3 handeln. Bei dem Rumpfbereich könnte es sich auch um einen Rumpf 1.2 des Flugzeuges 1 oder um einen Rumpfkörper 3.1 des Geschosses 3 handeln.
Eine in der Hauptströmungsrichtung S gemessene maximale Breite der rillenförmigen ersten Makrovertiefung 10 ist wenigstens so groß wie der Abschnitt einer unvertieften Oberfläche 10a zwischen benachbarten ersten Makrovertiefungen 10, und letztere weisen bevorzugt eine kreisbogenabschnittsförmige Gestalt auf. Durch die ersten Makrovertiefungen 10 kommt es in diesen zur planmäßigen Bildung von Wirbeln W, die den Formwiderstand gegenüber der Rakete 2, des Flugzeuges 1 oder des Geschosses 3, die jeweils die vorstehend beschriebenen Oberflächenstrukturen nicht aufweist, verringern.
In 2 ist die Bildung der Wirbel W in den ersten Makrovertiefungen 10 noch einmal anhand des Anströmbereichs 2.1 der Rakete 2, des Flugzeuges 1 oder des Geschosses 3 verdeutlicht. Es könnte sich bei diesem Bereich auch um die Nase 1.1 des Flugzeuges 1 oder den Anströmkörper 3.1 des Geschosses 3 handeln.
Die umströmte Oberfläche des Flug- oder Strömungskörpers 1, 2, 3 ist vorteilhaft mit einer Vielzahl Mikrovertiefungen 100 versehen (2a), die sich sowohl über die Oberfläche der ersten Makrovertiefungen 10 als auch über den Bereich der unvertieften Oberfläche 10a erstrecken. Diese Mikrovertiefungen 100 sind entweder rillenförmig ausgebildet, verlaufen parallel zueinander und sind vorzugsweise quer zur Hauptströmungsrichtung S orientiert, oder sie sind punktuell und vorzugsweise kalottenförmig ausgestaltet und belegen die umströmte Oberfläche gleichmäßig verteilt. Eine andere Form, die gleichfalls die umströmte Oberfläche vertieft, ist möglich.
3 stellt die neuerungsgemäße Strukturierung der umströmten Oberfläche mittels erster Makrovertiefungen 10 am Beispiel des Flugzeuges 1 im Bereich seines Rumpfes 1.2 und im Bereich eines daran angrenzenden Tragflügels 1.4 dar. Man erkennt den parallelen Verlauf der ersten Makrovertiefungen 10. Auch dieser Makrostrukturierung der umströmten Oberfläche können flächenmäßig gleichverteilte Mikrovertiefungen 100 überlagert sein, die allerdings nicht dargestellt sind.
In gleicher Weise wie bei Rumpf 1.2 und angrenzendem Tragflügel 1.4 ist ein Leitwerk 1.3 des Flugzeuges 1 und dessen Rumpf 1.2 in diesem Bereich mit den besagten ersten Makrovertiefungen 10 versehen (3a). Auch dieser gesamte umströmte Oberflächenbereich kann die vorg. Mikrovertiefungen 100 aufweisen.
Alternativ zu den vorstehend beschriebenen ersten Makrovertiefungen 10 ist die umströmte Oberfläche der Flug- oder Strömungskörper 1, 2, 3 in allen beschriebenen Bereichen mit zweiten Makrovertiefungen 20 versehen (in den 1 bis 3a nicht dargestellt), die punktuell und vorzugsweise kalottenförmig ausgebildet sind und die umströmte Oberfläche gleichmäßig verteilt belegen.
Dabei werden die zweiten Makrovertiefungen 20 zweckmäßig reihenförmig angeordnet, wobei jede Reihe quer zur Hauptströmungsrichtung S orientiert ist, und wobei die zweiten Makrovertiefungen 20 benachbarter Reihen auf Lücke gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Einen Querschnitt durch einen Rumpf 1.2, einen Rumpfbereich 2.2 oder einen Rumpfkörper 3.2 zeigt 4. Wirbel W bilden sich jeweils senkrecht zur Oberfläche der ersten Makrovertiefung 10 aus und ragen ein Stück weit aus diesen heraus, so dass sie mit der Hauptströmungsrichtung S des die Oberfläche umströmenden Fluids in Wechselwirkung treten können.

1: Flug- oder Strömungskörper (allgemein) (Flugzeugrumpf, Tragflügel, Leitwerk, Rakete, Geschoss, Strömungsschaufel, Propeller)
1.1: Nase
1.2: Rumpf
1.3: Leitwerk
1.4: Tragflügel
2: Rakete
2.1: Anströmbereich, vorderer Bereich
2.2: Rumpfbereich
3: Geschoss
3.1: kegelförmige Spitze
3.2: Rumpfkörper
10: erste Makrovertiefung (z. B. rillenförmig)
10a: unvertiefte Oberfläche
100: erste Mikrovertiefung (generelle Oberflächenstruktur; z. B. rillen- oder kalottenförmig)
20: zweite Makrovertiefung
S: Hauptströmungsrichtung
W: Wirbel

Die Neuerung betrifft eine Oberfläche eines Flug- oder Strömungskörpers (1; 2; 3), die von Fluid, insbesondere Luft oder Wasser, umströmt ist, insbesondere die Oberfläche eines Rumpfes, einer Tragfläche oder eines Leitwerks eines Flugzeuges, einer Rakete, eines Geschosses, einer Strömungs- oder Leitschaufel oder eines Propellers, wobei die Oberfläche Strukturelemente in Form von Vertiefungen oder Erhebungen aufweist. Mit der neuerungsgemäßen Formgestaltung wird erreicht, dass die auf den umströmten Flug- oder Strömungskörper wirkende Widerstandskraft insbesondere durch Einflussnahme auf den Formwiderstand gegenüber bekannten Lösungen nach dem Stand der Technik verringert ist. Dies wird nach einer ersten Ausführungsform dadurch erreicht, dass die Oberfläche, quer zur Hauptströmungsrichtung (S), mit rillenförmigen ersten Makrovertiefungen (10) versehen ist, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, oder nach einer zweiten Ausführungsform, dass die Oberfläche mit zweiten Makrovertiefungen (20) versehen ist, die punktuell ausgebildet sind und die umströmte Oberfläche gleichmäßig verteilt belegen (1).

Claims

Oberfläche eines Flug- oder Strömungskörpers (1; 2; 3), die von Fluid, insbesondere Luft oder Wasser, umströmt ist, insbesondere die Oberfläche eines Rumpfes, einer Tragfläche oder eines Leitwerks eines Flugzeuges, einer Rakete, eines Geschosses, einer Strömungs- oder Leitschaufel oder eines Propellers, wobei die Oberfläche Strukturelemente in Form von Vertiefungen oder Erhebungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche, quer zur Hauptströmungsrichtung (S), mit rillenförmigen ersten Makrovertiefungen (10) versehen ist, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Hauptströmungsrichtung (S) gemessene maximale Breite der rillenförmigen ersten Makrovertiefung (10) wenigstens so groß wie der Abschnitt einer unvertieften Oberfläche (10a) zwischen benachbarten ersten Makrovertiefungen (10) ist.
Oberfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rillenförmige erste Makrovertiefung (10) eine kreisbogenabschnittsförmige Gestalt aufweist
Oberfläche eines Flug- oder Strömungskörpers (1; 2; 3), die von Fluid, insbesondere Luft oder Wasser, umströmt ist, insbesondere die Oberfläche eines Rumpfes, einer Tragfläche oder eines Leitwerks eines Flugzeuges, einer Rakete, eines Geschosses, einer Strömungs- oder Leitschaufel oder eines Propellers, wobei die Oberfläche Strukturelemente in Form von Vertiefungen oder Erhebungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit zweiten Makrovertiefungen (20) versehen ist, die punktuell ausgebildet sind und die umströmte Oberfläche gleichmäßig verteilt belegen.
Oberfläche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Makrovertiefungen (20) kalottenförmige Form aufweisen.
Oberfläche nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zweiten Makrovertiefungen (20) reihenförmige angeordnet sind, dass jede Reihe quer zur Hauptströmungsrichtung (S) orientiert ist, und dass die zweiten Makrovertiefungen (20) benachbarter Reihen auf Lücke gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die umströmte Oberfläche insgesamt mit einer Vielzahl Mikrovertiefungen (100) versehen ist.
Oberfläche nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen (100) rillenförmig ausgebildet sind, parallel zueinander verlaufen und quer zur Hauptströmung (S) orientiert sind.
Oberfläche nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen (100) punktuell ausgebildet sind und die umströmte Oberfläche gleichmäßig verteilt belegen.
Oberfläche nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mikrovertiefungen (100) kalottenförmige Form aufweisen.