DE3316392C2

DE3316392C2 -

Info

Publication number: DE3316392C2
Application number: DE19833316392
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. 2000 Hamburg De Lurz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 1983-05-05
Filing date: 1983-05-05
Publication date: 1989-08-17
Also published as: DE3316392A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Beeinflus sung der Grenzschicht von umströmten Körpern, insbesondere bei stochastischen Strömungsschwankungen, gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for influencing solution of the boundary layer of flowed bodies, especially with stochastic flow fluctuations, according to the preamble of the patent claim 1.

Die DE-PS 32 28 939 zeigt bereits ein Verfahren und eine Ein richtung zur Beeinflussung der Grenzschicht von umströmten Körpern nach dem Prinzip der aktiven Änderung der ursprünglichen Bewegung der wandnahen Strömungsteilchen, wobei die Lösung darin besteht, daß die zu beeinflussende physikalische Strömungsgröße wie z. B. Schwingungsamplitude, -Phase, Wandschubspannung, Turbu lenzgrad, usw. durch mindestens einen passiven Sensor fortlau fend gemessen und analysiert wird und als Eingabe in eine Regeleinrichtung dient, dessen Ausgabe ein durch einen aktiven Schwin gungsgeber in die Grenzschicht einzuleitendes Schwingungssignal bildet.DE-PS 32 28 939 already shows a method and an Direction for influencing the boundary layer of flow around Bodies according to the principle of actively changing the original Movement of the flow particles near the wall, with the solution in it there is that the physical flow quantity to be influenced such as B. vibration amplitude, phase, wall shear stress, Turbu Lenzgrad, etc. by at least one passive sensor fend is measured and analyzed and as input into a Serves control device, the output of which by an active Schwin vibration transmitter to be introduced into the boundary layer forms.

Damit gelingt es, die positiven Auswirkungen einer nicht schwin gungsneutralen Körperoberfläche auf den Reibungswiderstand durch eine "aktive" Beeinflussung der Strömungsschwankung innerhalb der Körpergrenzschicht zu erreichen oder zu verbessern, und gegebenenfalls eine Strömungsablösung zu verhindern, da ja bekanntlich durch eine geeignete Schwingungsanfachung die lami nare Strömung turbulent, d. h. resistenter gegen Ablösung gemacht werden kann und auch der turbulenten Grenzschicht auf diese Weise Energie zugeführt werden kann. It manages to get the positive effects of not being swine neutral body surface due to the frictional resistance an "active" influence on the flow fluctuation within to reach or improve the body boundary layer, and to prevent flow separation if necessary, since yes the lami is known to have a suitable vibration stimulation nare flow turbulent, d. H. made more resistant to detachment and the turbulent boundary layer on it Way energy can be supplied.

Infolge des in Strömungsrichtung vorhandenen Abstandes zwischen dem Sensor und dem Schwingungsgeber können auf die vorbeschrie bene Weise nur periodische Strömungsschwankungen, also Schwingungen beeinflußt werden. Hier darf man ja, auf Grund der vorhandenen Periodizität, davon ausgehen, daß eine vom Sensor festgestellte Schwingung auch dann noch von dem stromab gelegenen Geber beeinflußt werden kann, wenn sie auf ihrem Weg vom Sensor zum Geber bereits mehrere Null-Durchgänge durchlaufen hat. Die Beeinflussung stochastischer Strömungsschwankungen mittels des genannten Verfahrens bzw. der betreffenden Einrichtung ist jedoch nicht möglich.As a result of the distance between in the flow direction the sensor and the vibration sensor can be described above bene way only periodic flow fluctuations, i.e. vibrations to be influenced. Here you can, because of the existing ones Periodicity, assume that one detected by the sensor Vibration from the downstream sensor can be influenced if they are on their way from the sensor to the Encoder has already passed through several zero crossings. The Influencing stochastic flow fluctuations by means of the above However, the procedure or the relevant facility is not possible.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 weiterzubilden, daß eine störungsbehaftete Grenzschicht auch dann gezielt beeinflußbar ist, wenn die betreffenden Störungen vorwiegend stochastisch auftreten.Accordingly, the invention has for its object an arrangement according to the preamble of claim 1 that a malfunctioning Border layer can be influenced in a targeted manner even if the relevant disorders occur predominantly stochastically.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angege benen kennzeichnenden Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung ge mäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.This object is indicated by the claim 1 benen characteristic features solved. Advantageous embodiments of the arrangement ge according to the invention are set out in the subclaims 2 to 4.

Im folgenden soll der Grundgedanke der Erfindung kurz erläutert werden.The basic idea of the invention is briefly explained below will.

Eine stochastische Strömungsschwankung in der Grenzschicht ist entsprechend der Fourieranalyse zwar aus Schwingungen verschie dener Frequenzen zusammengesetzt, jedoch besitzen diese Schwin gungen zueinander kein festes Phasenverhältnis. Eine direkte Überlagerung des stochastischen Signals mit einer periodischen Schwingung könnte somit bestenfalls eine Verstärkung, jedoch nie eine Dämpfung gewisser Frequenzteile des Gesamtsignals bewir ken. Eine direkte Beeinflussung des stochastischen Signals müßte daher aperiodisch in gleicher oder entgegengesetzter Bewegungs richtung wie das ursprüngliche Signal derart erfolgen, daß z. B. für die Schwingungsdämpfung an einer Stelle A in einem Zeitin tervall delta t die momentan gemessenen Werte der Schwingungs amplitude sowie ihres Anstieges einem Regler zugeleitet werden und dort in Echtzeit ein Gegensignal so erzeugt und der Origi nalschwankung überlagert ist, daß noch im gleichen Zeitinter vall dem Amplitudenanstieg des Originalsignals entgegengewirkt wird. Da das Signal stochastisch ist, wird sofort klar, daß diese Schwingungsüberlagerung nur am Ort der Messung selbst erfolgen kann, da an einem anderen Ort B wegen der fehlenden Phasenfunktion kein Zusammenhang zwischen dem Signal A und in B besteht. Hierzu ist es nicht erforderlich, daß der Abstand zwischen Sensor und Schwingungsgeber verschwindet. Es genügt vielmehr, wenn diese Strecke in funktioneller Beziehung hinreichend klein ist.According to the Fourier analysis, a stochastic flow fluctuation in the boundary layer is composed of oscillations of different frequencies, but these oscillations have no fixed phase relationship to one another. A direct superimposition of the stochastic signal with a periodic oscillation could thus at best result in an amplification, but never an attenuation of certain frequency parts of the overall signal. A direct influence of the stochastic signal would therefore have to take place aperiodically in the same or opposite direction of movement as the original signal in such a way that, for. B. for the vibration damping at a point A in a time interval delta t the currently measured values of the vibration amplitude and their rise are fed to a controller and there a counter signal is generated in real time and the original fluctuation is superimposed on them that in the same time interval the increase in amplitude of the original signal is counteracted. Since the signal is stochastic, it is immediately clear that this vibration superposition can only take place at the location of the measurement itself, since at another location B there is no connection between the signal A and in B because of the missing phase function. It is not necessary for this that the distance between the sensor and the vibration transmitter disappears. Rather, it is sufficient if this route is functionally small enough.

Für praktische Ausführungen sollte die Regelfrequenz etwa 3- bis 10mal höher als die höchste zu dämpfende Frequenz sein. Der Abstand zwischen Sensor und Schwingungsgeber ist hinreichend klein, wenn die betreffenden Abmessungen des Sensor-Schwingungsgeberkopfes kleiner sind als die halbe Wellenlänge der zu beeinflussenden Strömungsschwankung bzw. der zu dämpfenden Schwingung. The control frequency should be about 3 to 10 times higher than the highest frequency to be attenuated. The The distance between the sensor and the vibration sensor is sufficiently small, if the relevant dimensions of the sensor vibration transducer head are smaller than half the wavelength of the flow fluctuation to be influenced or the vibration to be damped.

Für die Regelung muß beachtet werden, daß das gemessene Signal bei z. B. einem Sensor auf einem bewegten Schwingungsgeber sich ergibt aus der Differenz der Ampli tuden der Signale des Sensors minus dem vorher durch den Schwingungsgeber aufgebrachten Amplitudensignals.For the regulation it has to be considered that the measured Signal at z. B. a sensor on a moving Vibration generator results from the difference of the ampli the sensor signals minus the previous one through the Vibration generator applied amplitude signal.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung dargestellt. Es zeigtThe invention is illustrated in the drawing. It shows

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer möglichen Sensor- Schwingungsgeberanordnung mit einer dazuge hörigen Regeleinrichtung Fig. 1 is a schematic diagram of a possible sensor vibration transmitter arrangement with an associated control device

Fig. 2 den prinzipiellen Ablauf der Signalregelung am Beispiel der Schwingungsdämpfung. Fig. 2 shows the basic sequence of signal control using the example of vibration damping.

In Fig. 1 ist ein prinzipielles Beispiel einer Sensor- Schwingungsgeberanordnung 1, 2 in der Oberfläche 4 eines mit der Anströmgeschwindigkeit U₀ angeströmten Körpers darge stellt. Die Koordinatenrichtung senkrecht zur Oberfläche wird mit y bezeichnet, U(y) ist die lokale Geschwindigkeit in Strömungsrichtung in der Grenzschicht. Eine die sto chastische Störung beinhaltende Strömungsgröße wird mit dem Sensor 1 fortlaufend gemessen, und das Signal in der Regeleinrichtung 3 auf z. B. seine Amplitude und die zeitliche Ableitungen der Amplitude in einem Zeitintervall Δ t hin analysiert. In 3 wird daraufhin ein Regelsignal mit im Falle der Schwingungsverstärkung gleicher, im Fall der Dämpfung entgegengesetzter Amplitudensteigung erzeugt und am Ort der Messung durch den Schwingungsgeber 2 im gleichen Zeitintervall in die Grenzschicht eingeleitet. Im Fall der Schwingungsdämpfung kann somit z. B. bei der transitio nalen oder turbulenten Grenzschicht die viskose Diszipa tion an der Wand und somit der Reibungswiderstand verrin gert werden, während eine Verstärkung der Schwingungen zu frühzeitiger Turbulenz und Energiezufuhr in die turbu lente Grenzschicht führt, deren Ablösungstendenz damit stark vermindert wird.In Fig. 1 is a basic example of a sensor vibration transmitter assembly 1, 2 in the surface 4 of a body with the flow velocity U ₀ Darge represents. The coordinate direction perpendicular to the surface is denoted by y , U (y) is the local velocity in the direction of flow in the boundary layer. A flow quantity containing the shock-absorbing disturbance is measured continuously with the sensor 1 , and the signal in the control device 3 is adjusted to e.g. B. its amplitude and the time derivatives of the amplitude are analyzed in a time interval Δ t . In FIG. 3 , a control signal is then generated with the same amplitude gradient in the case of vibration amplification and the opposite in the case of damping, and is introduced into the boundary layer at the location of the measurement by the vibration generator 2 at the same time interval. In the case of vibration damping z. B. in the transitio nal or turbulent boundary layer, the viscous discipline on the wall and thus the frictional resistance are reduced, while amplification of the vibrations leads to premature turbulence and energy supply to the turbulent boundary layer, the tendency to detachment is thus greatly reduced.

In Fig. 2 ist das Prinzip einer einfachen Gegenregelung zum Zweck der Schwingungsdämpfung dargestellt, wobei je weils nur die erste Ableitung der Signalamplitude A nach der Zeit t verwendet wird. Ebenso wären Regelungen mit höheren Ableitungen denkbar. Am Beginn eines Zeitinter valls Δ t, das klein genug zu wählen ist, um die Spitzen und Täler des stochastischen Meßsignals in Fig. 2a ge nügend genau zu erfassen, wird durch die Regeleinrichtung 3 die Amplitude A und die erste zeit liche Ableitung der Amplitude dA/dt ermittelt, und ein Gegensignal, in Fig. 2b dargestellt, erzeugt, das sich zusammensetzt aus:In Fig. 2 the principle of a simple counter scheme is presented for purposes of vibration damping, wherein each weils only the first derivative of the signal amplitude A to the time t is used. Regulations with higher derivatives would also be conceivable. At the beginning of a time Inter Valls Δ t, which is to be selected small enough to the peaks and valleys of the stochastic measurement signal in Fig. 2a ge to detect cient exactly, the amplitude A and the first time Liche derivative of the amplitude is d by the control device 3 A / d t determined, and a counter signal, shown in Fig. 2b, generated, which is composed of:

wobei (t) die momentane Amplitude des Gegensignals, (t+Δ t) die zu bildende neue Amplitude des Gegensignals zum Zeitpunkt t+Δ t, und die Ableitung dA/dt die zeit liche Ableitung des Meßsignals zu Beginn des Zeitinter valls Δ t darstellt. Der Faktor ist ein Übertragungs faktor der sich aus der Art der Regelung, Messung und Erregung bestimmt. Eine Addition des Meßsignals (Fig. 2a) und des Gegensignals (Fig. 2b) ergäbe somit einen we sentlich geglätteteren Amplitudenverlauf über der Zeit als das Originalmeßsignal.in which(t) the current amplitude of the counter signal, (t+Δ t) the new amplitude of the counter signal to be formed at the timet+Δ t, and the derivative dA/ dt the time Liche derivation of the measurement signal at the beginning of the time interval vallsΔ t represents. The factor is a transmission factor resulting from the type of regulation, measurement and Excitement determines. An addition of the measurement signal (Fig. 2a) and the counter signal (Fig. 2b) would result in a we considerably smoother amplitude curve over time than the original measurement signal.

Für den Fall der Signalverstärkung würde der Faktor in Glg. (1) mit einem negativen Vorzeichen versehen wer den.In the case of signal amplification, the factor in Eq. (1) with a negative sign the.

Claims

1. Arrangement for influencing the boundary layer of flow around bodies, in particular in the case of stochastic flow fluctuations, according to the principle of actively changing the original movement of the flow particles close to the wall by deliberately introducing vibration signals into the boundary layer, with at least one arranged in the surface of the flow around the body Sensor for the continuous measurement of at least one flow variable that can be influenced and for the delivery of a signal that characterizes this flow variable, with a control device that evaluates the signal emitted by the sensor depending on frequency, phase and amplitude and converts it into a control signal and with at least one vibration transmitter that detects the one Introduces control signal corresponding vibration signal into the boundary layer, characterized in that the distance between the sensor ( 1 ) and the vibration generator ( 2 ) is smaller than half the instantaneous wavelength of the flow fluctuation to be influenced, un d that the control frequency is three to ten times greater than the highest instantaneous frequency of the flow fluctuation to be influenced, so that the original flow fluctuation is damped or amplified depending on the phase of the oscillation signal introduced.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the sensor ( 1 ) and the vibration generator ( 2 ) form a structural unit.

3. Arrangement according to claim 2, characterized records that as a sensor and vibrator mechani cal membranes, hot wires and films or piezocritals are used, each with a vibration sensor is attached to a sensor.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensor ( 1 ) periodically works as a vibration generator ( 2 ).