DE3406718C2

DE3406718C2 - Verfahren zum Erzeugen eines Körpers mit gegenüber einem Ausgangskörper geringerem Strömungswiderstand

Info

Publication number: DE3406718C2
Application number: DE3406718A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Phys. Dr. 8070 Ingolstadt Barske
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1984-02-24
Filing date: 1984-02-24
Publication date: 1987-05-07
Also published as: US4593558A; JPS60193786A; DE3406718A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Körpers mit gegenüber einem Ausgangskörper vermindertem Strömungswiderstand. Dazu wird der Ausgangskörper von einer Strömung angestrebt, mit Hilfe derer Teilchen auf dem Ausgangskörper abgelagert werden, deren Hüllflächen ggf. zusammen mit von Teilchen freibleibenden Oberflächenbereichen des Ausgangskörpers den Körper mit vermindertem Strömungswiderstand bildet. Die Teilchen können der Strömung beigegeben werden. Sie können auch vor dem Ausströmen bereits auf den Ausgangskörper aufgebracht sein und werden dann mit Hilfe der Strömung teilweise abgetragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Körpers mit gegenüber einem Ausgangskörper geringerem Strömungswiderstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus der FR 11 23 810 bekannt.
Technische Gebilde, beispielsweise Flugzeuge, Schiffe oder Automobile, die sich unter Überwindung eines Strömungswiderstandes vorwärtsbewegen, stellen meist einen Kompromiß dar, der aus dem Wunsch resultiert, gleichzeitig mehrere Ziele zu erfüllen. Ein Automobil beispielsweise muß einen Nutzraum von bestimmter Gestalt und Mindestgröße haben und darf dabei nur möglichst wenig Verkehrsfläche beanspruchen. Gleichzeitig soll das Automobil einen möglichst geringen Luftwiderstand haben, was einerseits eine möglichst geringe Querschnittsfläche und andererseits eine sehr große Länge bedeuten würde.
Bei der Entwicklung des Automobils geht man daher meistens den Weg, daß man einen Ausgangskörper schafft, welcher den vorgegebenen Nutzraum umschließt und bestimmte Aggregate aufnimmt. Dieser Ausgangskörper wird dann im Windkanal unter ständiger interativer Formänderung optimiert, bis er einen zufriedenstellend geringen Luftwiderstand hat, ohne daß seine Gebrauchstüchtigkeit leidet oder seine Herstellbarkeit durch zu komplexe Formen zu aufwendig wird. Die iterative Formverbesserung ist außerordentlich aufwendig, da jede von Hand erfolgende Änderung am Ausgangskörper, die durch Wegnehmen von Material und durch zusätzliche Anbauteile erreicht wird, in ihrer Auswirkung auf den Luftwiderstand vermessen werden muß, worauf hin dann eine erneute Formänderung erfolgt usw.
Das geschilderte Verfahren der in erster Linie experimentell- empirischen Formoptimierung findet überall dort Anwendung, wo der Luftwiderstand primär durch Wirbelbildungen, d.h. durch turbulente Strömungen verursacht wird. Bei rein laminaren Strömungen, wie sie bei Flugzeugen oder speziellen Experimentierfahrzeugen in erster Linie vorliegen, können hinsichtlich des Strömungswiderstandes optimierte Körper mit Hilfe mathematischer Methoden weitgehend vorausberechnet werden.
Es wurde immer wieder versucht, Strömungen selbst zur Lösung technischer Aufgaben zu benutzen:
So ist in L. Prandtl "Führer durch die Strömungslehre", Braunschweig 1960, Seite 311 bis 314 der Transport fester Körper in strömender Luft allgemein beschrieben. Dabei wird gezielt auf technische Anwendungen, wie das Absaugen von Spänen und Schleißstaub, auf Windsichter, Sandstrahlgebläse, Wanderdünen und auch Maßnahmen zur Vermeidung von Schneeverwehungen eingegangen. Die gezielte Absenkung des Strömungswiderstandes von Körpern ist in dieser Literaturstelle nicht angesprochen.
Das gleiche gilt für ORE, Zeitschrift des Forschungs- und Versuchsamtes des internationalen Eisenbahnverkehrs, Januar 1964, Seiten 13 bis 14, wo ein Vereisungskanal in Form eines Windkanals beschrieben ist, bei dem aus einer Sprühdüse austretende Wassertröpfchen gefrieren und auf ein mit einem Schutzmittel gegen Vereisung versehenes rotierendes Prüfrohr auftreffen.
Anders verhält es sich mit der US-PS 18 39 619. Darin ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Körpers mit gegenüber einem Ausgangskörper geringerem Strömungswiderstand beschrieben, bei dem in einer Strömung enthaltene Teilchen mit Hilfe der Strömung auf der Oberfläche des Ausgangskörpers abgelagert werden, so daß die entstehende Hüllfläche die Oberfläche des Körpers mit gegenüber dem Ausgangskörper geringerem Strömungswiderstand bildet. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es einen verhältnismäßig großen apparativen Aufwand erfordert, da der Strömung bereits oberhalb des Ausgangskörpers Teilchen zugegeben werden müssen, die einerseits eine dem Fluidmedium möglichst ähnliche Dichte haben müssen, andererseits eine definierte Kohäsion bzw. Adhäsion haben müssen und zum dritten den Fluidkanal nicht beschädigen dürfen.
In der FR-PS 11 23 810 ist ein gattungsgemäßes Verfahren beschrieben, bei welchem der Strömung abrasive Materialien zugesetzt werden und der zu optimierende Ausgangskörper mit Material bedeckt wird, welches von dem in der Strömung enthaltenen abrasiven Material abgetragen wird. Ein Problem dieses Verfahrens liegt darin, daß die abrasiven Teilchen innerhalb eines Windkanals wegen ihrer Abrasivität nur schwer verträglich sind, da sie Maschinenteile beschädigen. Ein weiteres Problem liegt darin, daß die abrasiven Teilchen eine hohe Dichte haben, insbesondere erheblich dichter als Luft oder auch Wasser sind, so daß die von ihnen repräsentierte Strömung deutliche Gravitationseinflüsse zeigt und ihre Bahnen für die eigentliche Luft- oder Flüssigkeitsströmung, im Hinblick auf die der Körper optimiert werden soll, nur wenig repräsentativ ist. Dies gilt vor allem für Strömungen, die einen Strömungskörper unter Wirbelbildung umströmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß mit vermindertem experimentellen Aufwand die Erzeugung eines Körpers mit geringerem Strömungswiderstand insbesondere in den Fällen möglich ist, in denen der Strömungswiderstand in erster Linie durch Wirbelbildung induziert wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Merkmal nach dem Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst.
Danach wird auf dem Ausgangskörper abgelagertes Material, beispielsweise lose auf dem Ausgangskörper bzw. aneinander haftende Teilchen, unmittelbar durch die Strömung, beispielsweise eine Luft- oder auch eine Flüssigkeitsströmung abgetragen. Erosion ist nicht erforderlich, es genügen die von der Strömung auf die Teilchen wirkenden Reibungs- bzw. Scherkräfte. Es bildet sich selbsttätig ein strömungsoptimierter Körper, wobei die Körperoberfläche nicht nur durch Abtragen von Material, sondern auch durch Materialumlagerung, beispielsweise aus Gebieten mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in Totwassergebiete, entsteht. Der experimentelle Aufwand ist dadurch erheblich vermindert, daß mit einer einphasigen Strömung gearbeitet wird.
Die Unteransprüche 2 bis 4 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
Eine Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht beispielsweise folgendermaßen aus:
Der noch nicht optimierte Ausgangskörper eines Automobils wird, sofern ein Klimawindkanal zur Verfügung steht, mit Schnee einer Temperatur knapp unter dem Gefrierpunkt, oder mit Teilchen aus hochdisperser Kieselsäure oder mit Teilchen aus fein zerkleinertem Styropor, die leicht klebrig gemacht sein können bedeckt. Das Fahrzeug, das sich in diesem Zustand auf der Arbeitsplattform eines Windkanals befindet, wird dann angeströmt. Die Strömung nimmt aus Bereichen, in denen besonders hohe Scherkräfte entstehen, Teilchen mit und verlagert sie ggf. in Gebiete mit geringeren Scherkräften oder in Totwassergebiete. Die entstehende Hüllfläche kann nun verfestigt werden und so als Kontur des optimierten Automobils dienen oder aber Ausgangspunkt einer weiteren Iteration sein, d.h. wiederum mit Teilchen bedeckt werden und nach Anströmung eine nochmals optimierte Form darstellen. Naturgemäß eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für komplette Fahrzeuge, sondern auch für Anbauteile usw.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines Körpers mit gegenüber einem Ausgangskörper geringerem Strömungswiderstand durch Abtragen von auf dem Ausgangskörper abgelagertem Material mit Hilfe einer Strömung, bei welchem Verfahren der Ausgangskörper von der zumindest stromoberhalb des Ausgangskörpers weitgehend laminaren Strömung angeströmt wird und mit Hilfe dieser Strömung die Hüllfläche des zumindest teilweise mit dem abtragbaren Material bedeckten Ausgangskörpers verändert wird, so daß die Hüllfläche des sich in der Strömung ausbildenden Körpers die Oberfläche des Körpers mit geringerem Strömungswiderstand bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung eine einphasige Fluidströmung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskörper mit einer Strömung mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit angeströmt wird bis Bereiche des Ausgangskörpers, die Oberflächenbereiche des Körpers mit geringerem Strömungswiderstand bilden sollen, von abtragbarem Material frei werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskörper in Bereichen, die Oberflächenbereiche des Körpers mit geringerem Strömungswiderstand bilden sollen, mit einer nicht haftenden Oberfläche ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung eine Luftströmung ist.