DE4232671C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Schuberzeugung und Reibungsverminderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schuberzeugung und Reibungsverminderung durch Beeinflus­ sung der Grenzschicht strömungsgünstig geformter Körper.

Bisher bekannte Verfahren zur Schuberzeugung werden durch Triebwerke, Propeller und Raketenantriebe realisiert. Ausgehend von Staustrahltriebwerken wurde weiterhin vorgeschlagen, durch die Beheizung der Umströmung eines Körpers, zum Beispiel einer Tragfläche, an definierten Stellen einen Schub zu erzeugen [7]. Ein entsprechender Flugkörper wird als Detonationsreiter bezeichnet. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist eine Aussenverbrennung des Treibstoffes in der Umströmung. Aufgrund dar bei niedrigen Machzahlen geringeren Druckunterschiede, welche einen geringen Wirkungsgrad und damit einhergehend einen hohen Brennstoffverbrauch verursachen, kommt dieser Art der Schuberzeugung bei Strömungen unterhalb einer Machzahl von etwa 3 nur eine untergeordnete Bedeutung zu [8].

Herkömmliche Flugantriebe emittieren jedoch unerwünschten Lärm, Abgase, Vibrationen und Verringern die Nutzlast durch mitzuführende Treibstoffe, deren Verbrauch einen hohen Kostenanteil an den Betriebskosten darstellt.

Ein weiteres, bekanntes und einfaches Verfahren zur Reibungsverminderung ist es, durch homogenen Wärmeübergang entsprechend dem Temperaturverhalten der Viskosität (s. a. Gl. 3) des jeweiligen unströmenden Mediums eine Reibungsverminderung zu erzielen. Die hierbei erreichte Reibungsverminderung ist meist gering. Wie im folgenden gezeigt werden wird, ist der Wirkungsgrad dieses Verfahrens jedoch nicht optimal, d. h. die für eine bestimmte zugeführte Wärmemenge erhaltene Reibungsverminderung ist zu gering.

Neben den bekannten Verfahren der Grenzschichtbeeinflußung durch Absaugen und Ausblasen wurden weitere Verfahren zur Reibungsverminderung umströmter Körper vorgeschlagen, welche eine Beeinflussung des laminar-turbulenten Umschlagpunktes bewirken. So wurde beispielsweise eine homogene Erwärmung der Oberfläche und die hieraus folgende Erhöhung der Stabilität der Grenzschicht von Wasser und entsprechend später einsetzender Turbulenz für den Einsatz an Torpedos vorgeschlagen. Grenzschichten von Luft hingegen werden bei Wärmezufuhr instabiler. Konsequenterweise wurde eine Verzögerung des laminar/turbulenten Umschlages und damit Reibungsverminderung durch homogene Kühlung strömungsgünstig geformter Körper bei einer Umströmung durch Luft beispielsweise von Lee [5] untersucht, wobei nur geringe Reibungsverminderungen an einzelnen Geometrien mit einem extrem langen Bereich mit negativen Druckgradienten gefunden werden konnten.

Weiterhin ist es Stand der Technik, zur Enteisung von Tragflächen an deren Innenseite Strömungskanäle anzuordenen, welche der Beheizung der Profilvorderkante dienen, wobei auch im Abgas enthaltene Restwärme verwendet werden kann [4], [7]. Obgleich dem Betrachter einige Ähnlichkeiten mit der hier behandelten Schuberzeugung und Reibungsverminderung auffallen werden, so ist jedoch diese Maßnahme weder für den Dauerbetrieb vorgesehen, noch für die Reibungsverminderung ausgelegt, und so ist schon durch die Lage der Bereiche der Wärmezufuhr keine Schuberzeugung und Reibungsverminderung erzielbar, in einigen Praxisfällen wäre hingegen mit einer Reibungszunahme im Dauerbetrieb zu rechnen, wie im folgenden gezeigt werden wird.

Grundlegende Erläuterung der physikalischen Zusammenhänge Grenzschichtströmungen mit Wärmeübergang ohne Druckgradienten

Zunächst werden die physikalischen Effekte betrachtet, denen ein strömungsgünstig geformter Körper ausgesetzt ist, welcher von einem im allgemeinen gasförmigen Fluid umströmt werde. Der umströmte Körper sei z. B. die Tragfläche eines Flugzeuges, wogegen das umströmende Fluid z. B. die Umgebungsluft sei. Zuerst aber wird zur Erläuterung der Fall der ebenen Platte betrachtet, d. h. ohne Druckgradient.

Die Grenzschicht (genauer, die Geschwindigkeits- oder Reibungsgrenzschicht) ist definiert als der Bereich in welchem sich die örtliche Geschwindigkeit der Umströmung u_e (siehe Abb. 2) von dem reibungsfreien Wert auf den Wert 0 abbaut, welcher an der Wand (y = 0) erreicht wird (Haftbedingung). Ein maßgeblicher Parameter ist die Grenzschichtdicke δ, (definiert als der Abstand von der Wand in y-Richtung, bei welchem die Geschwindigkeit 0,99 mal die der reibungslosen Geschwindigkeit ist (u = 0,99.u_e). Da hier die gesamte Änderung der Geschwindigkeit von u_e auf 0 stattfindet, ist die auftretende Reibung (Einfluß der Viskosität) auf die Grenzschicht konzentriert.

Der lokale Widerstandsbeiwert c_f (manchmal auch als c_τ oder c_T bezeichnet) berechnet sich wie folgt:

c_f(x) = τ_w(x)/0.5.ρ.u₀ ² (1)

Das fundamentale Element der Wandreibung ist die lokale Wandschubspannung τ_w(x) an der Stelle (x, y = 0), d. h. entlang der Körperoberfläche an der Wand.

τ_w(x) = µ.(du/dy)|_y=0 (2)

Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Luft ist nach Sutherland's Formel:

µ = 1.45.10^-6T^3/2/(T + 110)kg m^-1 s^-1, ~ T^0,76 (3)

und die Temperaturabhängigkeit der Dichte ρ (mit pV = mRT, ideales Gas):

ρ = p/287.T kg m^-3, ~ T^-1 (4)

Zur Verdeutlichung diene das Schaubild Abb. 1.

Im folgenden wird zur Vereinfachung von einer 2- dimensionalen Strömung ausgegangen, d. h. daß keine Änderungen der Strömungseigenschaften in z-Richtung zugelassen sind. Damit können sich auch temperaturbedingte Änderungen der Dichte und der Viskosität, nur in x- und y- Richtung, nicht aber in z-Richtung auswirken. Weiterhin, falls keine Druckgradienten (in Strömungs- d. h. x-Richtung) vorhanden sind, folgt aus Bernoullis Theorem, daß die Freistromgeschwindigkeit u_e konstant sein muß (Fall: ebene Platte). Sollten in diesem Fall Dichteänderungen auch in x- Richtung wirken, so würden diese zwangsweise eine Erhöhung der Geschwindigkeit u_e verursachen, was aber keine Entsprechung im abwesenden Druckgradienten hat. Hieraus läßt sich in erster Näherung folgern, daß, falls Druckgradienten abwesend sind, durch Wärmezu- oder -abfuhr bedingte Dichteänderungen nur in y-Richtung (senkrecht zur ebenen Wand) wirksam werden können.

Daraus folgt, für laminare Strömungen, daß der Term du/dy proportional zu ρ^-1 ist, und somit die Wandschubspannung τ_w(x) proportional zu T^0,76.T^-1 = T^-0,24 ist. Dies bedeutet, daß bei einer ebenen Platte in Luft die Wandschubspannung und damit der Widerstandskoeffizient bei steigender Temperatur sinkt und bei sinkender Temperatur steigt. (Bei anderen Fluiden kann sich der Widerstandsbeiwert genau entgegengesetzt verhalten).

Grenzschichtströmungen mit Wärmeübergang und Druckgradienten

Die Situation ändert sich jedoch, falls wie bei profilierten Konturen, wie beispielsweise Tragflächenprofilen, Druckgradienten vorhanden sind, da diese durch Dichteänderungen verursachte Änderungen der Freistromgeschwindigkeit u_e ausgleichen können. Hieraus kann gefolgert werden, daß die Einflüsse des Wärmeübergangs auf den Widerstandsbeiwert aufgegliedert werden können in den Einfluß der temperaturbedingten Änderung der Viskosität, welche unabhängig ist von weiteren Einflüssen, sowie dem Einfluß der temperaturbedingten Dichteänderung, welcher durch ansteigende (gegengerichtet, Verlangsamung der Strömung) Druckgradienten verstärkt wird und durch abfallende (gleichgerichtet, Beschleunigung der Strömung) Druckgradienten abgeschwächt wird.

Somit führt der Effekt veränderlicher Dichte zu einem Anwachsen des Reibungskoeffizienten bei Erwärmung der Oberfläche und gleichgerichtetem Druckgradienten, jedoch zu einem Abfallen des Reibungskoeffizienten bei Erwärmung der Oberfläche und gegengerichtetem Druckgradienten. Kühlen der Oberfläche bewirkt eine Umkehrung des Effektes. Der Effekt veränderlicher Viskosität wirkt, unabhängig von dem Druckgradienten additiv zu diesem Effekt. Das qualitative Verhalten des Widerstandskoeffizienten ist in Tabelle 1 dargestellt, wobei ein + ein mäßiges, ein ++ ein starkes Ansteigen, ein - mäßiges und ein -- starkes Abfallen gegenüber dem adiabaten Fall bedeutet.

Tabelle 1

Qualitatives Verhalten des lokalen Widerstandskoeffizienten c_f(x) für Pr = 0,72 (Luft)

Diese Beobachtungen stimmen gut überein mit Morduchov [6] sowie mit Abb. 10.1 (S. 309) von Cebeci & Bradshaw [1] und anderen. Für turbulente Strömungen wird übereinstimmend davon ausgegangen, daß obige Feststellungen ebenfalls qualitativ gültig sind.

Es wurden Verifikationsrechnungen an einem symmetrischen "NACA 0012"-Profil durchgeführt, welches Bereiche eines gegengerichteten, eines verschwindenden, und eines gleichgerichteten Druckgradienten aufweist. Verwendet wurde eine Lösungsmethode für gekoppelte Grenzschichtgleichungen nach Cebeci & Bradshaw [1], welche für das vorliegende Problem angepasst wurde.

Verifikationsrechnung Verhalten der Wandreibung bei homogenem Wärmeübergang

Zur Darstellung des Verhaltens der Wandreibung bei homogenem Wärmeübergang wurde zunächst der lokale Widerstandskoeffizient c_f(x) für den adiabaten Fall "0" berechnet (kein Wandwärmestrom, qw" = 0), um den Ausgangs- und Vergleichsfall zu erhalten.

Danach wurde die gleiche Berechnung mit einem über den gesamten Körper konstanten positiven oder negativen Wandwärmestrom (qw" = ±Q) wiederholt. Dieser Fall (genannt "+/-1E3") wurde zunächst für den beliebigen Vergleichswert Q = 1000 W/m² berechnet.

Abb. 2 zeigt den Fall der konstanten Wärmestromverteilung entlang des Körpers. Man erhält den Verlauf des lokalen Widerstandskoeffizienten c_f(x) entlang der x-Achse der untersuchten Geometrie. Normiert man die Werte mit dem adiabaten Vergleichsfall, so erhält man "1" für den Fall gleicher Reibung und Werte kleiner "1" für eine verringerte Reibung, wie in Abb. 2 als Prozentwert dargestellt. Die untersuchte Geometrie ist ein "NACA 0012"-Profil, welches mit 100 m/s angetrömt wird. Der Anstellwinkel ist 0 Grad. Die 100%-Linie "0" zeigt den Fall der adiabaten Wand, "+1E3" zeigt den Fall der Beheizung der gesamten Geometrie mit konstant qw" = +1000 W/m², "-1E3" zeigt den Fall des Kühlens der gesamten Geometrie mit konstant qw" = -1000 W/m². Daraus wird ersichtlich, daß Heizen zunächst eine Erhöhung der Wandreibung mit sich bringt, welche bei x/c = 0.11 in eine Verringerung der Wandreibung übergeht. Das konstante Kühlen der Geometrie erzeugt einen nahezu spiegelbildlichen Verlauf.

Daraus wird erneut bestätigt, daß die Grenzschicht auf einen konstanten, homogenen Wandwärmestrom durchaus unterschiedlich reagieren kann. Dieses unterschiedliche Verhalten ist, wie bereits oben dargelegt, bedingt durch die Änderung der Geschwindigkeit der Aussenströmung, ausgedrückt durch den Faktor u_e/u₀. Die Aussenströmung wird zunächst verzögert (aufgestaut, u_e/u₀ < 1) und beschleunigt dann bei dem Dickenmaximum auf die größte Geschwindigkeit, welche über der Anströmgeschwindigkeit liegt. (u_e/u₀ < 1).

Aufgabenstellung

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, herkömmliche Flugantriebe durch eine zusätzliche Schuberzeugung und Reibungsverminderung zu entlasten, welche die Betriebskosten gegenüber der Schuberzeugung bei Aussenverbrennung minimiert und den Wirkungsgrad gegenüber der Reibungsverminderung bei homogenem Wärmeübergang erhöht.

Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, indem entlang der lokalen Strömungsrichtung bereichsweise von der Oberfläche des Körpers in die Grenzschicht Wärme zugeführt oder abgeführt wird, um eine maximale Schuberzeugung und somit einen minimalen Widerstandsbeiwert zu erhalten.

Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Ausgehend von den obigen Feststellungen und Verifikationsrechnungen, welche in [2] noch etwas ausführlicher dargelegt werden, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Wandwärmeübergänge verwendet, um eine Verringerung des lokalen Widerstandskoeffizienten c_f(x) und damit des integralen Widerstandsbeiwertes c_d zu erzielen, indem man einen passenden lokalen Wärmeübergang (heizen oder kühlen) entsprechend dem lokalen Druckgradienten wählt, und dabei Wärme oder Kälte verwendet, wo immer diese bei geringen Kosten zur Verfügung stehen.

Der Widerstandsbeiwert wird gebildet aus einem Dichteterm und einem Reibungsterm. Änderungen im Widerstandsbeiwert umfassen demnach bei gekrümmten Oberflächen einen Dichteeinfluß und einen Reibungseinfluß, wobei ersterer auch als Schub betrachtet werden kann, und wodurch die betrachtete Maßnahme ein Verfahren zur Schuberzeugung und zur Reibungsverminderung wird.

Die maximale Reduzierung des Reibungswiderstandes erreicht man demnach durch Kühlen an der Spitze und Heizen ab einem bestimmten x/c-Wert. Es tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß die zunächst gekühlte Umströmung bei Erreichen eines Umschlagpunktes des Wandwärmestroms eine gewisse Zeit braucht, um sich wieder zu erwärmen. Der optimale Umschlagpunkt ergibt sich dementsprechend nicht an dem Ort des maximalen Druckgradienten bzw. u_e/u₀. Die Optimierung des vorderen Umschlagpunktes und die erhaltene c_f(x)- Verteilung ist beispielsweise in Abb. 3 dargestellt. Die glatte Linie zeigt nochmals den Verlauf von c_f/c_f,aw für den Fall der gleichmässigen Wärmezufuhr an die gesamte Geometrie. Demgegenüber zeigt die Linie mit Symbolen den Verlauf für erfindungsgemäß anfängliches Kühlen bis zu hier x/c = 0.015 und anschließendem Heizen, wobei Kühlen mit -1000 W/m² und Heizen mit +1000 W/m² (wiederum beliebige Werte) erfolgen. Man sieht den Erfolg durch diese Maßnahme deutlich (im vorderen Bereich, x/c < 0.15).

Integriert man den Verlauf der Wandschubspannung über der Oberflächenbogenlänge x_s der untersuchten Geometrie, so erhält man die Reibungskraft F_d:

und den Widerstandsbeiwert c_d (auch c_w, vereinzelt: c_F):

c_d = F_d/0,5ρu₀ ² (7)

Für Abb. 3 ergibt sich eine Verringerung des Widerstandsbeiwerts c_d um 0,51% für den Fall des konstanten Heizens sowie um 0,57% für den Fall anfänglich Kühlen, später Heizen. (siehe auch [2]).

Weitere Untersuchungen ergaben, daß es einen zusätzlichen Vorteil erbringt, wenn am Ende der untersuchten Geometrie (x/c < 0,84) nochmals ein Übergang, nun von Heizen zu Kühlen, erfolgt.

Beachtet man nun die für die betrachtete Geometrie und die betrachteten Strömungszustände ermittelte optimale Lage des Übergangs von Kühlen zu Heizen und später von Heizen zu Kühlen gemäß Nebenanspruch 2, so sieht man, daß dies nahe des Übergangs der Geschwindigkeitsverteilung der idealen Umströmung von u_e/u₀ < 1 (Kühlen zu Heizen) und von u_e/u₀ < 1 (Heizen zu Kühlen) erfolgt. Die Lage dieser Punkte entspricht somit genau der Lage der Punkte, welche von Oswatitsch [8] aufgrund anderweitiger Überlegungen vorausgesagt wurde, siehe auch Feltgen [3]. Hierauf wird später näher eingegangen. Damit ergibt sich in erster Näherung der einfache Zusammenhang zwischen der Umströmungsgeschwindigkeit u_e (ausgedrückt durch den Faktor u_e/u₀) und der, im Einzelfall jedoch zu überprüfenden, optimalen Lage der Bereiche des Heizens und des Kühlens:

u_e/u₀ < 1 =< Kühlen (8a)

u_e/u₀ < 1 =< Heizen (8b)

Der Verlauf von u_e/u₀ entlang der untersuchten Geometrie entspricht dem Verlauf des Cp-Wertes und kann der Fachliteratur entnommen werden. Wie bereits angedeutet, sind viele verschiedene Effekte zu beachten, so daß im Einzelfall durchaus mehr oder minder starke Abweichungen von der so ermittelten Lage der Umschlagpunkte des Wärmeübergangs möglich sind.

Abb. 4 zeigt eine Übersicht über die erzielbare Verringerung des Widerstandskoeffizienten bei verschiedenen Wärmeflußraten und den dabei erreichbaren thermischen Wirkungsgrad η_th (Reduzierung der Reibungsarbeit W_d (= F_d.u₀) geteilt durch zugeführte Wärme qw) bei verschiedenen Anströmgeschwindigkeiten u₀.

Abgrenzung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber der Schuberzeugung durch Aussenverbrennung

Das Verfahren nach Oswatitsch [8] und Feltgen [3] zeigt in der Lage der Umschlagspunkte des Wärmeüberganges eine gute Übereinstimmung mit den berechneten Ergebnissen, wie bereits erwähnt wurde. Dies ist nicht verwunderlich, da die gleichen Formeln für gekoppelte Stromfunktionen (Stromfunktionen mit veränderlicher Temperatur), welche von [1] verwendet wurden, sowohl innerhalb als auch ausserhalb der (Geschwindigkeits-) Grenzschichten gelten.

Jedoch zeigt sich ein fundamentaler Unterschied. Während obige Berechnung ein Kühlen der Vorderfront und ein anschließendes Heizen des Hauptteiles mit anschließendem Kühlen des Hecks ergab, spezifiziert [8] ein Heizen von Front und Heck. (Ein entsprechendes Kühlen des Hauptteiles wäre logische Fortsetzung, wurde aber nicht spezifiziert). Dies ist mehr oder weniger das genaue Gegenteil zu dem hier beschriebenen Verfahren.

Dieser scheinbare Widerspruch wird im folgenden näher betrachtet. In [8] wird eine ideale Umströmung angenommen, d. h. daß die Viskosität hier Null und somit τ_w nicht existent ist. Entsprechend gibt es keine Geschwindigkeitsunterschiede in der Grenzschicht, welche folglich dort (in idealer Näherung) nicht existiert. Der Schub wird erzeugt, indem die Verteilung der Geschwindigkeit der Umströmung u_e/u₀ (siehe oben) durch Wärmezufuhr variiert wird. Bei konstanter realer Reibung [3] ergibt sich bei kleinen Schubwerten bei der Summierung der Kräfte eine resultierende Verringerung der nach hinten gerichteten Kraftkomponente, welche zum Großteil aus der Reibungskraft besteht, jedoch ist die Bezeichnung Reibungsverminderung im Titel dieser Dissertation somit etwas ungenau, genauer wäre beispielsweise Reibungskompensation.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch das Verhalten einer Grenzschicht beeinflußt unter Vorgabe einer äußeren Geschwindigkeitsverteilung. Das heißt, daß u_e/u₀ als konstant und gegeben angesehen wird (Dies ist auch dadurch gerechtfertigt, daß die umgesetzten Wärmemengen im allgemeinen um Größenordnungen kleiner sind als bei der Aussenverbrennung). Dagegen wird die Verteilung von τ_w durch Wärmezu- und abfuhr stark beeinflußt, wobei die Dichte den Schubeinfluß und die Viskosität den Reibungseinfluß darstellt. Somit kann in diesem Fall von einer Schuberzeugung und Reibungsverminderung gesprochen werden. Sieht man sich nun die Grenzschichtgleichungen von einem mathematischen Standpunkt etwas näher an, so werden die Randbedingungen des zu lösenden Gleichungssystemes an zwei Grenzen angegeben, nämlich an der Wand (y = 0) und an der Grenze zur reibungsfreien Umströmung (y = δ). Dabei bedeutet:

obere Grenze: y = δ reibungsfr. Strömung u = 0.99.u_e (9a)

untere Grenze: y = 0 Wand u = 0 (9b)

Nun ist aus Abb. 2 ersichtlich, daß die Lösung des Gleichungssystemes hinsichtlich der Eingabewerte des Wandwärmestromes Q linear ist, d. h. für entgegengesetzte Eingabewerte qw" = +1000 W/m² gegenüber qw" = -1000 W/m² entgegengesetzte Antworten liefert, ablesbar an dem spiegelbildlichen Verlauf der Ergebnisse in Abb. 2.

Wenn nun an der unteren Grenze des Gleichungssystemes y = 0 eine positive oder negative Wärmemenge zugeführt wird, so ist demnach ein gegenteiliges Verhalten der Lösungen zu erwarten, wenn die gleiche positive oder negative Wärmemenge bei gleicher Position x an der oberen Grenze y = δ zugeführt wird. Übertragen auf die physikalischen Bedingungen hieße das, daß die Grenzschicht einen Wärmestrom, welcher von der Wand abgegeben wird, als entgegengesetzt wahrnimmt zu einem Wärmestrom, welcher von der umgebenden unviskosen Umströmung herrührt.

Folglich entspricht ein Heizen der unviskosen Umströmung an einem beliebigen Punkt x bzw. x/c der untersuchten Geometrie einem Kühlen der Wand der Geometrie am gleichen Punkt x/c hinsichtlich des Verhaltens des Widerstandsbeiwertes in der Grenzschicht.

Somit ist deutlich, daß das gegenteilige Verhalten der hier dargestellten Maßnahme zu der von Oswatitsch [8] und Feltgen [3] ihren Ursprung in der jeweils gegenteiligen Richtung der Wärmeströme in der Grenzschicht (y-Richtung) hat. Für den Fall des Heizens wird zwar in jedem Fall Wärme abgegeben, aber im Fall Oswatitsch fließt Wärme von der Umströmung in Richtung Wand und im erfindungsgemäßen Fall fließt Wärme von der Wand in Richtung Umströmung. Somit kann in beiden Fällen ein physikalisch gleiches Verhalten der Strömung festgestellt werden.

In jedem Fall ist die Lage der jeweiligen Umschlagpunkte des Wärmeübergangs an die jeweilige Geometrie und den Strömungszustand anzupassen. Dabei muß die Stabilität der Grenzschicht berücksichtigt werden. Ein früherer Turbulenzumschlag ist jedoch bei Luft mit geringen bis mäßigen Wärmestromdichten bei den meisten Profilen nicht zu erwarten, siehe [2] und [5].

Technische Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Auf die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Hauptanspruch 1 wurde bereits in obiger Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingegangen. Die Umsetzung nach Nebenanspruch 2 wurde ebenfalls bereits näher dargelegt. Hierzu sei noch erwähnt, daß die Bereiche der Wärmezufuhr oder der Wärmeabfuhr auch unabhängig von den anderen Bereichen verwendet werden können, wobei die jeweils anderen Bereiche dann adiabat verbleiben oder dem ursprünglichen Wärmestrom ausgesetzt bleiben können. Aufgrund des Zusammenspiels verschiedener Effekte kann es weiterhin vereinzelt vorkommen, daß einzelne Bereiche der Wärmezu- oder abfuhr keinen nennenswerten Effekt mehr bewirken, und in diesem Fall entfallen können, was für den Einzelfall zu prüfen ist.

Bei Gasturbinenbeschaufelungen, welche im Ausgangsfall bereits zur Reduzierung der Materialtemperaturen gekühlt werden müssen, stellt sich eine mögliche Ausgestaltungsform der Erfindung nach Nebenanspruch 2 so dar, daß die Kühlung im Bereich der Schaufelvorderkante bis zum ersten erfindungsgemäßen Umschlagpunkt des Wärmeübergangs verstärkt wird und der zweite Umschlagpunkt nahe der Hinterkante entfallen kann. (Für ein vereinfachtes Berechnungsbeispiel siehe [2]).

Bei einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung nach den Nebenansprüchen 2 und 3 erfolgt die Wandwärmezufuhr durch solare Erwärmung infolge von Schwärzung der betreffenden Bereiche der sonnenzugewandten Seite. Auf dieser Seite ist der Bereich der Wärmeabfuhr nicht realisiert, er kann adiabat verbleiben. Auf der sonnenabgewandten Seite hingegen ist der Bereich der Wärmezufuhr nicht realisiert, der Bereich der Wärmeabfuhr hingegen ist ebenfalls durch Schwärzung und in der Folge Verstärkung der abgeführten Wärmestrahlung realisiert, siehe [2].

Aufgrund des relativ niedrigen Wirkungsgrades, siehe Abb. 4, ist es sinnvoll, eine Wärmequelle zu wählen, welche in ausreichender Menge kostenlos oder günstig zur Verfügung steht. Dies sind in erster Linie Sonnenenergie und Abwärme bzw. Abgas, wogegen einige mit der indirekten Erwärmung der Umströmung verbundenen Vorteile wie Wirkungsgradsteigerung bei höherer Geschwindigkeit, geringes bis vernachlässigbares Gewicht und geräuscharmer Betrieb ohne Verschleißteile auch die Verwendung von primär erzeugter Wärme oder Kälte sinnvoll erscheinen lassen.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung nach Nebenanspruch 3 wird die Wärme bzw. Kälte durch ein Heiz- oder Kühlmedium, welches durch mindestens einen in dem umströmten Körper angeordneten Strömungskanal (Sk) mit integriertem Wärmetauscher geleitet wird, zugeführt. Die Oberfläche kann dabei zusätzlich zur Verbesserung des Strahlungswärmeübergangs geschwärzt sein.

Eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung nach Nebenanspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß der von einem (Sk) Oberflächenbereich (h) oder (k) nach Art der hinlänglich bekannten Filmkühlung oder Effusionskühlung porös ist oder eine Vielzahl von Kanälen aufweist, durch welche das Heiz- oder Kühlmedium aus dem Körper in die Umströmung austritt und deren Grenzschicht sowohl indirekt durch Wärmeleitung der verbliebenen Oberfläche als auch direkt durch Kontakt des Heiz- oder Kühlmediums mit der Umströmung beheizt bzw. gekühlt wird. Bei der Verwendung von Abgas als Heizmedium kann durch einen zwischengeschalteten Wärmeübertrager eine Entkoppelung des Heizmediums von dem Abgas erreicht werden, um Verschmutzungen der porösen Öffnungen vorzubeugen.

Ein Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in beliebigen umströmten Körpern, welche vorzugsweise strömungsgünstig geformt sind wie zum Beispiel Flugzeugtragflächen und -bauteile, Turbinenschaufeln und - bauteile, Segel, Gleitsegel, Hubschrauberrotorblättern, Windrädern, Landfahrzeugen und dergleichen möglich. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in der günstigen Nutzung von Abwärme, Sonnenenergie oder anderen sonst bisher nicht verwendeten Energieformen zur Kosten- und Emissionseffizienten Reibungsverminderung und Schuberzeugung, zum Beispiel zur Unterstützung herkömmlicher Flugantriebe bei minimalsten Investitionen, in Einzelfällen auch bei dem Einsatz von Primärenergie mit durchaus akzeptablen Gesamtwirkungsgraden. Der gleichzeitige Betrieb mit herkömmlichen Antrieben erhöht die Redundanz. Durch eine erfindungsgemäße Optimierung bestehender Wärmeübergangskonfigurationen, z. B. an Raumfahrzeugen und Turbinen, können Gesamtwirkungsgrade gesteigert und Materialbelastungen gesenkt werden.

Es folgt eine Beschreibung der Abbildungen.

Abb. 1 zeigt zur Veranschaulichung ein finétes Fluid- Volumenelement, welches an eine feste Wand angrenzt.

In Abb. 2 ist der berechnete Verlauf des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten c_f(x) bei homogenem Heizen mit +1000 W/m² (glatte Linie) und bei homogenem Kühlen des Profils mit -1000 W/m² dargestellt.

Abb. 3 zeigt nochmals den Verlauf des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten bei homogenem Heizen mit +1000 W/m² (glatte Linie) sowie erfindungsgemäßem Kühlen des Profils mit -1000 W/m² bis zum ersten Wärmeübergangsumschlagpunkt und daran anschliessendem Heizen des Profils bis zur Hinterkante mit +1000 W/m² (Symbole).

Abb. 4 zeigt den berechneten Verlauf der erfindungsgemäßen Reduzierung des Widerstandsbeiwertes c_d und des thermischen Wirkungsgrades η_th bei verschiedenen Wandwärmeströmen qw" über der Anströmgeschwindigkeit.

Eine mögliche Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Hauptanspruch 1 und den Nebenansprüchen 2 mit 3 ist in Abb. 5 dargestellt. Sie stellt eine Tragfläche mit den sonnenzugewandten geschwärzten Bereichen der Wärmezufuhr (h) sowie dem nicht sichtbaren sonnenabgewandten geschwärzten Bereich der Wärmeabfuhr (k) dar.

Abb. 6 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform nach den Ansprüchen 2 und 3, umgesetzt an einem Tragflächenprofil eines Flugzeuges. Im Inneren des Profils sind die Strömungskanäle (Sk) des Heiz- (H) und Kühlmediums (K) dargestellt, welche durch Wärmeleitung durch die Profiloberkante mit der Umströmung Wärme austauschen (h, k). Die Strömungskanäle (Sk) können im Randbogen miteinander verbunden sein, wodurch eine Durchströmung mit Umkehrung entsteht. Andernfalls können am Randbogen Austrittsöffnungen in die Umströmung angebracht sein. Die Kühlluft kann ebenfalls in Hin- und Rückströmung geführt werden. Im Inneren der Abbildungen sind Rippen angedeutet, welche in bekannter Weise als Wärmetauscher fungieren indem sie die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößern. Wärmeisolierungen zwischen den Kanälen oder gegenüber der Profiloberfläche sind nicht dargestellt.

Abb. 7 stellt ebenfalls eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Nebenansprüchen 2 und 3 dar. Das den Strömungskanal (Sk) im Bereich der Profilhinterkante durchströmende Kühlmedium (K) tritt durch eine Vielzahl von Schlitzen im Bereich der Wärmeabfuhr (k) an die Umströmung aus, wobei es diese abkühlt. In diesem Bereich findet ebenfalls eine indirekte Wärmeübertragung durch die verbliebenen Oberflächenbereiche statt. Die Wärmeübertragung an den anderen Bereichen entspricht dagegen der Ausgestaltung der Erfindung nach Abb. 5. Hierbei kann der dem austretenden Kühlmedium innewohnende Impuls zusätzlich in einer Kombination mit den bekannten Verfahren der Grenzschichtbeeinflussung zur Energetisierung der Grenzschicht und damit zur Verhinderung von Ablösungen verwendet werden. Falls ein Heizmedium zur Verfügung steht, sind die Schlitze entsprechend an den Bereichen der Wärmezufuhr anzubringen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Schuberzeugung und Reibungsverminderung durch Beeinflußung der Grenzschicht strömungsgünstig geformter Körper, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der lokalen Strömungsrichtung bereichsweise von der Oberfläche des Körpers in die Grenzschicht Wärme zugeführt oder abgeführt wird, um eine maximale Schuberzeugung und somit einen minimalen Widerstandsbeiwert zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei strömungsgünstig geformten Körpern in einer geeigneten Folge Bereiche der Wärmeabfuhr und Wärmezufuhr in lokaler Strömungsrichtung bestehen, wobei die genaue Lage der Umschlagpunkte des Wärmeübergangs der Geometrie des jeweiligen Körpers und den Strömungsbedingungen angepaßt werden, und
daß diese Bereiche im allgemeinen einem Kühlen der Körpervorderkante mit daran anschliessender Heizung des Hauptteils des Körpers und wiederum Kühlen der Hinterkante bestehen können, wobei in Sonderfällen diese Bereiche auch mehrfach auftreten oder entfallen können.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmezufuhr (h) durch Schwärzung der entsprechenden Bereiche der jeweiligen sonnenzugewandten Seite und in der Folge solarer Erwärmung, die Wärmeabfuhr (k) durch Schwärzung der entsprechenden Bereiche der sonnenabgewandten Seite und in der Folge Abkühlung durch verstärkte Wärmestrahlung erfolgen kann,
daß die Zufuhr und Abfuhr von Wärme auch durch einen oder mehrere an der Innenseite des umströmten Körpers angebrachte Strömungskanäle (Sk), welche ein Heiz- (H) oder ein Kühlmedium (K) durchströmt, erfolgt,
daß bei der Verwendung eines Strömungskanals (Sk) als Heizmedium Abwärme oder Abgas dienen kann,
daß bei der Verwendung eines Strömungskanals (Sk) die Oberfläche des umströmten Körpers an den entsprechenden Bereichen (h, k) porös ist oder eine Vielzahl von Kanälen aufweist, wobei das Heiz- (H) oder Kühlmedium (K) an diesen Stellen ausströmt und dadurch die Umströmung an diesen Stellen beheizt (h) oder gekühlt (k) wird, sowie
daß die erforderliche Wärme bzw. Kälte auch primär, z. B. durch Brennstoffeinsatz, erzeugt werden kann.