DE3444485C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflus­ sung der Strömung an umströmten Körpern im Sinne einer Wider­ standsverminderung nach dem Prinzip der passiven Strömungsan­ passung an den umströmten Körper. Es wird gleichzeitig eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens aufgezeigt.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 33 16 394 bekannt. Dabei wird die Oberfläche des um­ strömten Körpers mit einem glattflächigen, mechanisch steifen Material belegt. Das mechanisch steife Material kann mit zahl­ reichen kleinen Öffnungen, die senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind, versehen sein. Unter der festen, durchlässigen Oberfläche befindet sich eine schallschluckende Verkleidung, in der Druckschwankungen gelöscht bzw. gedämpft werden. Damit ist es möglich, Strömungsschwankungen zu dämpfen und den Umschlagpunkt laminar/turbulent weiter stromab zu verlegen. Durch die längere laminare Laufstrecke wird insgesamt der Wider­ stand verringert. Es ist jedoch nachteilig, daß mit diesem Verfahren nur der Widerstand vermindert, nicht jedoch gleich­ zeitig der Auftrieb erhöht wird. Weiterhin nachteilig ist, daß der Strömung in der Grenzschicht ständig Energie entzogen wird. Das Verfahren ist eine passive Grenzschichtbeeinflussung bzw. Grenzschichtanpassung, die Geometrie des umströmten Körpers bleibt unverändert.

Aus der GB-OS 21 29 908 ist ebenfalls ein stationärer Körper mit passiver Strömungsanpassung bekannt. Die Oberseite des stationären Körpers ist derart ausgebildet, daß sie als Wirbel­ erzeuger fungiert. Auch hier wird die notwendige Energie zur Bildung der Wirbel der Umströmung entzogen (passives System). Der so erzeugte Wirbel wandert über Erhöhungen und Vertiefungen des Körpers stromab, wobei ständig neue Wirbel produziert werden. Die Außenströmung wandert über diese künstlich geschaffene Wirbelschicht hinweg und es bildet sich eine Scherschicht aus. Auch hier ist lediglich eine Ver­ minderung des Widerstandes möglich, nicht jedoch eine Er­ höhung des Auftriebs. Die Geometrie des umströmten Körpers bleibt unverändert, d. h. stationär.

Aus dem Lehrbuch Schlichting/Truckenbrodt, Aerodynamik des Flugzeuges, Band 1, Berlin 1959, Seite 260-272 werden verschiedene Maßnahmen zur Grenzschichtbeeinflussung be­ schrieben. Im einzelnen wird das Mitbewegen der Wand, das Be­ schleunigen der Grenzschicht, die Absaugung der Grenzschicht und Laminarprofile vorgeschlagen. Eine Änderung der Geometrie des umströmten Körpers ist nicht vorgesehen.

Es ist weiterhin bekannt, zur Beeinflussung der Strömung an umströmten Körpern im Sinne einer Auftriebserhöhung und einer Widerstandsverminderung z. B. Landeklappen oder transsonische Tragflügel einzusetzen, um z. B. die Wirtschaftlichkeit eines Flugzeuges zu verbessern. Dabei wird aktiv für eine gewisse Zeit oder dauernd für einen gewissen Flugzustand die Geometrie des um­ strömten Körpers, z. B. des Tragflügels, verändert oder festgelegt. Das den Körper umströmende Fluid, also beispielsweise die Luft, wird gewzungen, sich passiv diesem in seiner Geometrie veränder­ ten umströmten Körper anzupassen. Es wird also nicht aktiv auf die Teilchen der Strömung eingewirkt, sondern diese finden beim Überfliegen des umströmten Körpers eine geometrische Oberfläche vor, der sie sich anpassen. Bei dem transsonischen Tragflügel handelt es sich um einen überströmten Körper mit einer besonde­ ren Profilgestaltung, die dieser Tragflügel immer aufweist. die Geometrie dieses umströmten Körpers ist damit stationär. Im Falle der Landeklappen werden diese zwar relativ zu den übrigen Teilen des Tragflügels verstellt. Die Verstellung wird jedoch dann für eine gewisse Zeit beibehalten, während der sich der Flug­ zustand ändert, also z. B. bis der Landevorgang abgeschlossen ist, so daß hier ein quasi-stationärer umströmter Körper eingesetzt wird.

Aus der DE-PS 32 28 939 ist es bekannt, die Strömung an umström­ ten Körpern, insbes. die Grenzschicht, aktiv zu beeinflussen, indem den einzelnen Teilchen der Strömung aktiv eine bestimmte Bewegungsenergie, z. B. in Form einer Schwingung, aufgeprägt wird. Dabei ändert sich die Geometrie des umströmten Körpers nicht. Dies wird daraus er­ kennbar, daß als Schwingungsgeber auch Hitzdrähte, Hitzfilme oder ähnliche Anordnungen benutzt werden können. Es handelt sich somit um eine instationäre Umströmung eines stationären Körpers.

Die DE-OS 32 10 498 zeigt eine Grenzschichtbeeinflussung von fluiddynami­ schen Wirkflächen. Hierbei wird auf die gleiche Weise als auch bei den eben­ falls im Stand der Technik bekannten Ausblas- bzw. Absaugmethoden Fremdenergie der natürlichen Umströmung des umströmten Körpers zugeführt. Es handelt sich hierbei um eine aktive Beeinflussung der Strömung an dem umströmten Körper. Die Geometrie des umströmten Körpers bleibt während der Beeinflussung der Strömung erhalten. Der umströmte Körper stellt somit ein statisches Profil dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit denen es möglich ist, die Strömung an umströmten Körpern im Sinne einer Auftriebserhöhung und einer Widerstandsverminderung zu beeinflussen. Die Beeinflussung der Teilchen der Strömung soll nicht aktiv, sondern passiv geschehen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß örtlich am umströmten Körper durch periodische Änderung der Geometrie des Körpers ein variabler, instationärer Körper erzeugt wird, an dem sich je nach seiner momentanen Geometrie die natürliche stationäre Umströmung im Sinne der Widerstandsver­ minderung und einer zusätzlichen Auftriebserhöhung als die passive Strömungsanpassung einstellt. Der umströmte Körper wird in seiner Geometrie periodisch verändert, so daß ein instationärer Körper entsteht, der eine positive Auswirkung auf die natürliche Umströmung dieses Körpers nach sich zieht. Somit wird u. a. eine frühzeitige Ablösung der Strömung vom umströmten Körper vermieden. Damit wird die Geometrie des umströmten Körpers periodisch und aktiv verändert. Die einzelnen Teilchen der Strömung jedoch werden nicht aktiv verändert, sondern müssen sich passiv der Geometrie des umströmten Körpers jeweils anpassen.

Mit besonderem Vorteil erfolgt nur an einem ausgewählten Ober­ flächensegment des umströmten Körpers eine periodische Änderung der Geometrie, wodurch eine zeitliche Veränderung der Geometrie des gesamten umströmten Körpers erreicht wird. Oft reicht es aus, nur einen Teil des umströmten Körpers in seiner Oberfläche ent­ sprechend periodisch zu verändern, um die gewünschte Wirkung eintreten zu lassen.

Es ist auch möglich, in dem umströmten Körper eine periodische Änderung eines Innenraums und dessen Volumen zu erzeugen. Dabei wird das verdrängte Volumen auf die Oberfläche des umströmten Körpers übertragen, so daß sich hierdurch eine fiktive perio­ dische Änderung der Geometrie des umströmten Körpers ergibt. Die Strömung um diesen Körper findet damit gleichsam eine veränderte Geometrie des umströmten Körpers vor und die einzelnen Strömungs­ teilchen müssen sich auch hier wieder anpassen.

Die Vorrichtung zur Beeinflussung der Strömung an einem umströmten Körper durch passive Strömungsanpassung kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß in dem umströmten Körper Arbeitzylinder vorgesehen und mit einem Teil der Oberfläche des umströmten Körpers gekoppelt sind, so daß durch perio­ dische Änderung der Geometrie des umströmten Körpers ein variabler instationärer Körper vorgesehen ist, an dem sich je nach seiner momentanen Geometrie die natürliche stationäre Umströmung im Sinne der Widerstandsverminderung und einer zusätzlichen Auf­ triebserhöhung als die passive Strömungsanpassung einstellt. Derartige Arbeitszylinder lassen sich mit vergleichsweise geringem Auf­ wand herstellen, einbauen und steuern. Vor allen Dingen ist es möglich, eine Steuerung nach einer vorgegebenen zeitlichen Funk­ tion periodisch vorzunehmen, z. B. durch eine Servohydraulik, um eine optimale Wirkung in den verschiedenen Betriebszuständen eines umströmten Körpers zu erzielen. Dabei ist es möglich, zu einer erheblichen Treibstoffersparnis über einen weiten Bereich von Betriebszuständen zu kommen, wenn die Erfindung auf ein aerodynamisches Profil angewendet wird. Es können elektro-dyna­ mische, elektro-pneumatische, elektro-hydraulische und/oder mechanische Arbeitszylinder vorgesehen sein, um die Geometrie des umströmten Körpers periodisch zu verändern. Wenn sie direkt mit einem Teil der Oberfläche des umströmten Körpers gekoppelt sind, so ist dieser Teil der Oberfläche z. B. gelenkig oder federnd nachgiebig mit dem übrigen Teil der Oberfläche des um­ strömten Körpers verbunden. Es ist aber auch möglich, die Ar­ beitszylinder im Innenraum des umströmten Körpers oder z. B. auch im Rumpf eines Flugzeuges unterzubringen und im Anschluß an die Arbeitszylinder eine Kammer anzuordnen, die bis zur Oberfläche an der gefährdeten Stelle des umströmten Körpers führt. Die Kammer ist dann durch Durchbrechungen, Öffnungen o. dgl. an die Oberfläche des umströmten Körpers angeschlossen. Die Durchbre­ chungen, Öffnungen o. dgl. können durch eine Ventileinrichtung oder eine sonstige Absperreinrichtung von der Kammer abge­ schlossen werden, damit die Vorrichtung in solchen Betriebszu­ ständen außer Funktion gesetzt und abgeschlossen werden kann, in denen seine Wirkung begrenzt ist. Die Arbeitszylinder können auch eine Unterdruck- und/oder eine Überdruckquelle aufweisen. Diese Quellen dienen jedoch nicht dazu, Energie in die Strö­ mung zu übertragen. Es wird vielmehr nur ein jeweils begrenz­ tes Fluid entweder in die Oberfläche des umströmten Körpers transportiert, damit sich dessen Geometrie ändert, oder es wird diese Menge des Flouids wieder zurückgeholt, also ent­ fernt, so daß sich z. B. die ursprüngliche Geometrie des um­ strömten Körpers wieder einstellt. Auch dadurch lassen sich ent­ sprechende fiktive Änderungen der Geometrie des umströmten Körpers erzeugen. Die Arbeitszylinder können in ihrer periodi­ schen Verstellfunktion entsprechend den jeweiligen Flugzu­ ständen am umströmten Profil steuerbar ausgebildet sein. Durch die modularisierte Baweise dieses Systems können Wartungsar­ beiten verkürzt werden. Weiterhin ist vorteilhaft, daß auch vorhandene Flugzeuge mit einer derartigen Vorrichtung nachge­ rüstet werden können. Die für die Arbeitszylinder benötigte An­ triebsleistung ist um ein Vielfaches kleiner als die Schuberspar­ nis. Die Schubersparnis verringert erheblich den Treibstoff­ verbrauch.

Die Erfindung wird anhand verschiedener Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf ein Flugzeug mit dem Tragflügel als aerodynamisches Profil,

Fig. 2 die Vorderansicht des Flugzeuges gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Flugzeuges gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 eine ähnliche Schnittdarstellung durch den umström­ ten Körper und

Fig. 6 eine ähnliche Schnittdarstellung mit einer weiteren Ausführungsform.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Flugzeug schematisch dargestellt, bestehend aus einem Rumpf 1 und einem umströmten Körper 2 in Form eines aerodynamischen Profils.

Gemäß Fig. 4 ist in dem umströmten Körper 2 ein Arbeitszylinder 3 untergebracht, der direkt mit einem Teil 4 der Oberfläche des umströmten Körpers 2 gekoppelt ist. Dieser Teil besteht z. B. aus Federstahlblech und ist elastisch mit dem übrigen Teil der Oberfläche des umströmten Körpers 2 verbunden. In diese Verbin­ dung sind Federn 5 eingeschaltet. Durch die vom Arbeitszylin­ der 3 erzeugte periodische Bewegung wird das Teil 4 in Richtung des Pfeils 6 ausgelenkt; dabei entsteht die gestrichelte Ände­ rung des umströmten Körpers, die sich periodisch wiederholt. Die periodische Änderung der Geometrie wird in einer von dem je­ weiligen Flugzustand abhängigen Steuerung durchgeführt. Es er­ gibt sich damit eine periodische zeitlich veränderliche Geometrie. Durch das Teil 4 wird die geometrische Änderung des umströmten Körpers direkt erzeugt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform. Auch hier ist der Arbeitszylinder 3 im umströmten Körper 2 angeordnet. Der Arbeits­ zylinder 3 besitzt einen Kolben 7, der in Richtung des Pfeils 8 in periodische Bewegungen versetzt wird. Eine sich an den Kolben 7 anschließende Kammer 9 endet in einer Durchbrechung, Öffnung o. dgl. 10. Über die Kammer 9 wird das aus- bzw. einströmende Fluid, be­ dingt durch die innere Volumenänderung, in eine äußere fiktive Änderung der Geometrie des umströmten Körpers umgewandelt. Es versteht sich, daß die Durchbrechung 10 aus einer Vielzahl ein­ zelner Bohrungen, Schlitze o. dgl. bestehen kann und entspre­ chend der Auslegung des Profils des umströmten Körpers 2 in dem betreffenden Bereich angeordnet ist, in welchem Ablöseer­ scheinungen ohne die genannte Vorrichtung zu erwarten sind.

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform mit der eine fiktive Änderung der Geometrie des umströmten Körpers 2 erreicht wird. Es sind dort zwei rotierende und mit Schlitzen versehene Rohre 11 angedeutet, die entsprechend gelagert und angetrieben sind. Das eine Rohr ist z. B. an eine Druckluftquelle und das andere Rohr an eine Vakuumquelle angeschlossen. Zwischen den Schlitzen der Rohre 11 und dem Gehäuse befindet sich jeweils eine Dichtung 12. Durch den entsprechenden Antrieb und die Schlitzsteuerung ist es mit Hilfe der Rohre 11 und der Druckluftquelle und der Vakuumquelle möglich, in der Kammer 9 eine gewünschte Änderung des Volumens zu erzeugen und über die Durchbrechung 10 auf die wandnahe Strömung zu übertragen, um dort eine fik­ tive Profiländerung zu erzeugen. Diese Ausführungsform ermög­ licht vorteilhaft eine kompakte Bauweise und damit die Unter­ bringung in aerodynamischen Profilen mit relativ geringer Dicke.

• Bezugszeichenliste
   1 = Rumpf
   2 = umströmter Körper
   3 = Arbeitszylinder
   4 = Teil
   5 = Feder
   6 = Pfeil
   7 = Kolben
   8 = Pfeil
   9 = Kammer
  10 = Durchbrechung
  11 = Rohr
  12 = Dichtung

Claims (6)

1. Verfahren zur Beeinflussung der Strömung an umströmten Körpern im Sinne einer Widerstandsverminderung nach dem Prinzip der passiven Strömungsanpassung an den umströmten Körper, dadurch gekennzeichnet, daß örtlich am umströmten Körper durch periodische Änderung der Geometrie des Körpers ein variabler, instationärer Körper erzeugt wird, an dem sich je nach seiner momentanen Geometrie die natürliche stationäre Umströmung im Sinne der Widerstandsverminderung und einer zusätzlichen Auftriebserhöhung als die passive Strömungsanpassung einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur an einem ausgewählten Oberflächensegment des umströmten Körpers eine periodische Änderung der Geometrie erfolgt, wodurch eine zeitliche Veränderung der Geometrie des gesamten umströmten Körpers erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem umströmten Körper eine periodische Änderung eines Innenraums und dessen Volumen erzeugt wird, und daß das verdrängte Volumen auf die Oberfläche des umströmten Körpers übertragen wird, so daß sich hierdurch eine fiktive periodische Änderung der Geometrie des umströmten Körpers ergibt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem umströmten Körper (2) Arbeitszylinder (3) vorgesehen und mit einem Teil (4) der Oberfläche des umströmten Körpers (2) gekoppelt sind, so daß durch periodische Änderung der Geometrie des umströmten Körpers (2) ein variabler instationärer Körper vorgesehen ist, an dem sich je nach seiner momentanen Geometrie die natürliche stationäre Umströmung im Sinne der Widerstandsverminderung und einer zusätzlichen Auftriebserhöhung als die passive Strömungsanpassung einstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektro-dynamische, elektro-pneumatische, elektro- hydraulische und/oder mechanische Arbeitszylinder (3) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitszylinder (3) eine Unterdruck- und/oder eine Überdruckquelle aufweisen.