DE3532587A1 - Oberflaechenkonstruktion mit geringem stroemungswiderstand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächen­ konstruktion mit geringem Strömungswiderstand.

Bei jeder Oberfläche, über die ein Strömungsmittel abfließt, wird ein Strömungswiderstand zwischen der Strömungsmittelströmung und der Oberfläche verursacht. Der Hauptgrund dieses Strömungswiderstandes ist die Reibung in einer Grenzschicht, in der die Geschwindig­ keit der Strömung auf einen sich ändernden Grad gegen­ über der freien Strömung des Mittels vermindert wird. Die Überwindung dieser Reibung erfordert Energie, die als Wärme auftritt und diese Energie stellt einen reinen Verlust dar.

Der Strömungswiderstand ist allgemein unerwünscht, da Energie vergeudet und die Wirksamkeit der Strömungs­ vorrichtung vermindert wird, von der die betreffende Oberfläche einen Teil bildet. Die Vorrichtung kann dabei beliebig ausgebildet sein, wobei Gasturbinen­ triebwerke, Flugzeuge und Schiffe typische Beispiele darstellen. Bei Schiffen ist das Strömungsmittel Wasser, während in den beiden erstgenannten Fällen das Strömungs­ mittel Luft oder Gas ist.

Wegen der unerwünschten Natur dieses Strömungswider­ standes sind verschiedene Versuche unternommen worden, um ihn zu vermindern, und zwar allgemein durch Behandlung der Grenzschicht selbst. In gewissen Fällen wurde die Grenzschicht abgesaugt, während in anderen Fällen die Grenzschicht dadurch beeinflußt wurde, daß ein Strömungsmittel in die Grenzschicht in Richtung der allgemeinen Strömung eingeblasen wurde. Diese Versuche bringen einen gewissen Erfolg, aber es gibt beträchtliche Schwierigkeiten bei der Verwirk­ lichung in der Praxis, und diese Schwierigkeiten haben ihre allgemeine Anwendung bisher ausgeschlossen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine abgewandelte Form einer Oberfläche mit geringem Strömungswiderstand.

Gemäß der Erfindung weist eine Oberflächenkonstruktion mit geringem Strömungswiderstand Stabilisierungsmittel auf, die eine im regulären Abstand zueinander ange­ ordnete Veränderung in der Grenzschichtströmung über der Oberfläche derart erzeugen, daß mehrere der linearen Wirbel in parallel beabstandeter Beziehung stabilisiert wird, wobei diese Stabilisierungsmittel quer zur Strömungsrichtung über die Oberfläche ver­ laufen und die Grenzschichtströmung so verändern, daß die Wirbel veranlaßt werden, sich in Richtung der allgemeinen Strömung mit einer Geschwindigkeit zu be­ wegen, die etwa halb so groß ist wie die freie Strömung.

Die Stabilisierungsmittel können eine mechanische Vor­ richtung durch eine dynamische Strömungsmittelein­ richtung nachahmen. So können die Stabilisierungsmittel Oberflächenwellen simulieren, die längs der Ober­ fläche wandern, indem in geeigneter Weise angeordnete Öffnungen in der Oberfläche vorgesehen und Erreger­ mittel angeordnet werden, die bewirken daß das Strömungsmittel nacheinander durch die Öffnungen eintritt oder austritt.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungs­ gemäß ausgestaltete Oberfläche, mit geringem Strömungswiderstand;

Fig. 2 einen Schnitt einer abgewandelten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oberfläche mit geringem Strömungswider­ stand.

Gemäß Fig. 1 weist die Oberfläche mit geringem Strömungswiderstand eine gelochte starre Haut 20 auf. Die Öffnungen 21 sind als Schlitze ausgebildet, die seitlich verlaufen, jedoch könnten sie auch durch Reihen von dicht benachbart zueinander angeordneten kleinen Löchern ersetzt werden. Hinter der Haut 20 teilt eine Reihe von Scheidewänden 22 die Rückseite in eine Anzahl getrennter Zellen 23 auf, die jeweils eine einzige Öffnung 21 aufweisen, die von dieser aus­ geht. Eine hintere Haut 24 bildet eine Rückwand für die Zellen 23 und wie die Haut 20 ist die hintere Haut 24 bei 25 gelocht, wodurch jede Zelle 23 mit einem Kanal 26 in Verbindung steht, der zwischen der hinteren Haut 24 und einem Basisblech 27 aus­ gebildet ist. Die Öffnungen 25 sind wiederum als seitlich verlaufende Schlitze ausgebildet, aber es könnten, wie im Falle der Öffnungen 21, auch Reihen benachbarter Löcher vorgesehen werden.

Um dieses System wirksam zu machen, ist ein akusti­ scher Wandler oder es sind Serien akustischer Wandler 28 am stromaufwärtigen Ende des Kanals 26 angeordnet, die durch nicht dargestellte Mittel erregt werden, um eine Reihe von Strömungsmittelwellen zu erzeugen, die sich längs des Kanals fortbewegen. Diese Wellen stellen den normalen Ausgang eines solchen Wandlers in einem solchen Kanal dar, und der Ausgang des Wandlers stellt tatsächlich eine Welle dar, die mit einer Geschwindig­ keit unterhalb der Schallgeschwindigkeit fortschreitet, weil der Kanal umschlossen ist.

Wenn diese kleinen Wellen an den Öffnungen 25 vorbei­ laufen, werden sie in die Zellen 23 übertragen und durch richtige Dimensionierung der Zellen wird es möglich, die Zellen in Resonnanz zu versetzen, um die Wirkung der vom Wandler angetriebenen Bewegung im Kanal zu verstärken.

Infolgedessen werden heftige Strömungsmittel­ pulsationen durch die Öffnungen 21 und in die Zellen 23 hinein und aus diesen heraus erzeugt.

Der Abstand der Öffnung 21 ist so gewählt, daß das Strömungsmittel aus der ersten Zelle 23 impulsförmig austritt und impulsförmig in die nächste Zelle ein­ tritt, dann wieder aus der nächsten Zelle austritt und so weiter, da die kleinen Wellen den Kanal 26 entlang wandern, ändert sich die Pulsation aus der ersten Zelle 23 von einem Ausströmvorgang in einen Einströmvorgang, und auch die übrigen Zellen ändern sich bezüglich der Wanderrichtung der Wellen. Die Gesamtwirkung ist so als wenn sich jede Pulsation über die Serien von Öffnungen 21 mit der Geschwindig­ keit der kleinen Wellen im Kanal 26 bewegt.

Die Einwärtspulsation in eine Zelle 23 hinein und die Auswärtspulsationen von benachbarten Zellen liefern eine Grenzschichtströmung, ähnlich einer mechanischen Oberflächenkontur, und eine gleiche Wirkung wird in bezug auf eine Reihe paralleler, in Längsrichtung verlaufender Wirbel erreicht.

So trachtet jeder Wirbel danach, sich im Bereich be­ nachbart zu einer Zelle 23 zu stabilisieren, und er wird einer Einwärtsströmung unterworfen, und da sich die Situation ändert, so daß der Bereich der Ein­ wärtsströmung sich über die Oberfläche nach unten zu bewegen scheint, werden die Wirbel veranlaßt, sich nach stromab zu bewegen.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform einer Vor­ richtung mit geringem Strömungswiderstand hängt da­ von ab, daß die Wirbel 16 in einer Weise wirken, die ähnlich ist den Rollelementen bei Rollenlagern in mechanischen Vorrichtungen. So kann sich der Abschnitt des Wirbels benachbart zur freien Strömung mit etwa der Geschwindigkeit C der freien Strömung bewegen, be­ dingt durch die Präzession der Wirbel längs der Ober­ fläche mit ihrer Geschwindigkeit von etwa C/2, die durch die Bewegung der Wellen längs der Oberfläche auf­ geprägt wird. Dies ist natürlich die normale Rollbe­ ziehung und kann abgeleitet werden durch Betrachtung der augenblicklichen Situation, wenn der Berührungspunkt zwischen Rolle und Oberfläche eine Geschwindigkeit Null hat. Das Zentrum der Rolle hat eine Geschwindig­ keit von C/2, und der obere Teil des Umfangs der Rolle muß demgemäß die doppelte Geschwindigkeit besitzen, d.h. die Geschwindigkeit ist C.

Die Anordnung gewährleistet demgemäß, daß nur eine geringe Scherwirkung zwischen den Wirbeln und der freien Strömung auftritt und wiederum nur eine geringe Scherwirkung zwischen dem unteren Teil der Wirbel­ strömung und der benachbarten Oberfläche. Demgemäß wird der Strömungswiderstand zwischen dem Strömungs­ mittel und der Oberfläche vermindert.

In gewissen Fällen können die Wirbel infolge der Charakteristiken von Oberfläche und Strömung da­ rüber selbsterzeugend sein. In anderen Fällen können die Wirbel zwangsläufig durch bekannte ge­ trennte Vorrichtungen erzeugt werden, z.B. durch einen Zylinder, der sich parallel zur Oberfläche dreht oder einen oszillierenden Zaun oder eine Rampe auf dieser Oberfläche. Bei der Erzeugung der Wirbel muß jedoch darauf geachtet werden, daß die Wirbel in Strömungsrichtung über die Oberfläche auf­ einanderfolgen und daß sie sich alle im gleichen Sinne drehen.

Ein Problem, welches bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 auftritt, resultiert aus der Tatsache, daß die scheinbare Quergeschwindigkeit der Bereiche der Einwärtsströmung über die Oberfläche gleich ist der Geschwindigkeit der kleinen Wellen, die durch den Wandler 28 im Kanal 26 erzeugt werden. Diese Ge­ schwindigkeit ist kleiner, aber gelegentlich ver­ gleichbar mit der örtlichen Schallgeschwindigkeit, und obgleich sie reduziert werden kann, indem der Kanal einem gewundenen Pfad folgt oder mit unter­ schiedlichem Material ausgefüllt wird, ist es immer noch wahrscheinlich, daß solche Einrichtungen nur bei relativ hohen freien Strömungsgeschwindigkeiten wirksam sind. Fig. 2 veranschaulicht daher eine Ausführungsform mit dem Grundarbeitsprinzip gleich jenem nach Fig. 1, wobei jedoch ein unterschiedlicher Antriebsmechanismus vorgesehen ist, der die Einrich­ tung für niedrigere freie Strömungsgeschwindigkeiten optimiert.

In Fig. 2 ist die von dem Strömungsmittel berührte Haut 30 gleich der Haut 20 des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels und es sind seitlich verlaufende Öffnungen oder Reihen von Öffnungen 31 vorgesehen. Der Raum hinter der Haut ist wiederum durch Wände 32 in Zellen 33 unterteilt, wobei jede Zelle mit dem Strömungsbereich über eine der Öffnungen 31 in Ver­ bindung steht.

Anstelle der Rückwand 24 und des Kanals 26, die bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel vorhanden waren, sind jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel zahlreiche getrennte Wandler 34, und zwar je einer für jede Zelle 33 vorgesehen, die die Rückwand der jeweiligen Zellen bilden. Dem ersten Wandler 34 der Folge wird ein Signal zugeführt, und dieses wird über Verzögerungs­ glieder 35 dem nächsten Wandler jeweils nacheinander zugeführt. Auf diese Weise kann die Strömungsmittel­ bewegung in benachbarten Zellen so ausgebildet werden, daß sie eine unterschiedliche Phase besitzt. Wenn sie in Gegenphase befindlich sind, dann ergibt sich die Situation, die in Verbindung mit Fig. 1 be­ schrieben wurde, und durch Änderung der Ver­ zögerungsglieder 35 kann eine unendliche Ver­ änderung der Phasendifferenz erreicht werden.

Auf diese Weise ist es durch Veränderung der durch die Wandler erzeugten Frequenz und durch Änderung der Phasendifferenz möglich, die scheinbare Ge­ schwindigkeit der nach innen und außen wandernden Wellen längs der Reihe von Öffnungen 31 zu ver­ ändern und so die "Wellenlänge" dieser Wellen ein­ zustellen. Das erstere kann geschehen um die freie Strömungsgeschwindigkeit etwa zu halbieren, während das letztere geschehen kann, um eine optimale Größe der Wirbel zu erhalten, was wiederum von dem je­ weiligen Strömungsmittel abhängt. Obgleich dieses Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 komplizierter und komplexer ausgebildet ist als das erste Ausführungs­ beispiel, so ergibt dieses eine beträchtliche Flexi­ bilität von Bedingungen, so daß es für experimentelle Zwecke und weitere Entwicklungen nützlich ist.

Es ist klar, daß die beschriebenen Ausführungsbeispiele nur zwei Möglichkeiten einer größeren Anzahl alter­ nativer Möglichkeiten veranschaulichen, wie die Er­ findung verwirklicht werden kann. Bei abgewandelten Ausführungsbeispielen könnte beispielsweise eine feste rückwärtige Oberfläche in Wellenform für den Kanal 26 vorgesehen werden. Die vom Wandler 28 erregte Strömung könnte über diese Oberfläche strömen. Stattdessen könnte der Wandler 28 und die wellen­ förmige Oberfläche durch eine Membran ersetzt werden, auf der kleine Wanderwellen durch einen Vibrations­ mechanismus erzeugt werden.

Wahrscheinlich würde das einfachste Ausführungsbeispiel der Erfindung darauf beruhen, die Strömung über die gelochte Oberfläche 20 so zu leiten, daß dabei selbst eine Veränderung der Grenzschichtströmung eintritt, und zwar falls erforderlich, definiert durch eine flexible Membran, die die tatsächliche Grenze bildet.

Die Wandler 28 und 34 können ähnlich wie Lautsprecher oder weniger raumgreifende und weniger empfindliche Wandler sein, die piezoelektrisch oder magnetostriktiv arbeiten.

Claims (6)

1. Oberflächenkonstruktion mit einer Oberfläche, die einem Strömungswiderstand unterworfen ist, welcher durch ein darüber fließendes Strömungs­ mittel veranlaßt ist, wobei das Strömungsmittel lineare Wirbel aufweist, die parallel und be­ nachbart zu der Oberfläche verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß Wirbelstabili­ sierungsmittel (21-28, 31-35) in der Oberfläche so ausgebildet und angeordnet sind, daß eine regulär beabstandete Veränderung in der Grenz­ schichtströmung in Strömungsrichtung der Ober­ fläche (20, 30) erzielt wird, wodurch mehrere der linearen Wirbel (16) im Abstand und parallel zueinander sehr zur Stromrichtung (17) stabili­ siert werden, wobei die Veränderung in der Grenz­ schichtströmung bewirkt, daß die linearen Wirbel (16) in Strömungsrichtung (17) mit etwa der halben Geschwindigkeit der freien Strömung abfließen, wo­ durch der Strömungswiderstand auf der Oberfläche (20, 30) vermindert wird.

2. Oberflächenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabili­ sierungsmittel (20-28, 30-35) mehrere Öffnungen (21, 31) in der Oberfläche (20, 30) aufweisen, wobei diese Öffnungen mit Erreger­ mitteln (26, 28, 34, 35) in Verbindung stehen, die das Strömungsmittel veranlassen, in die Öffnungen (21, 31) in einer vorbestimmten Folge gegenüber den jeweils benachbarten Öffnungen einzutreten bzw. auszutreten.

3. Oberflächenkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion außerdem mehrere Zellen (23, 33) aufweist, die benachbart zur Oberfläche (20, 30) ausgebildet sind, wobei jede Zelle (23, 33) mit wenigstens einer Öffnung (21, 31) in Verbindung steht.

4. Oberflächenkonstruktion nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion ferner einen Kanal (26) aufweist, der mit den Zellen (23) in Reihe geschaltet ist, und daß die Erregermittel einen Wandler (28) aufweisen der Wanderwellen innerhalb des Kanals (26) er­ zeugt.

5. Oberflächenkonstruktion nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermittel eine Mehrzahl von Wandlern (34) aufweisen, um eine Wellenbewegung des Strömungsmittels inner­ halb der Zellen (33) zu erzeugen, und daß jede der Zellen (33) mit jeweils einem Wandler (34) ausgestattet ist.

6. Oberflächenkonstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (34) durch elektrische Signale angetrieben werden, und daß die Wandler in Reihe mit­ einander über Verzögerungsleitungen (35) geschaltet sind, wodurch jeder Wandler (34) eine vorbestimmte Phasenbeziehung gegenüber seinen benachbarten Wandlern aufweist.