-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Beschleunigung der Zerstörung
von zumindest zwei Wirbelschleppen im Sog eines in Bewegung befindlichen
Körpers.
-
Obwohl
nicht ausschließlich,
so findet die vorliegende Erfindung spezieller an einem Flugzeug, insbesondere
einem Verkehrsflugzeug Anwendung.
-
In
diesem Fall werden die beiden (oder mehr) Wirbelschleppen, auf die
die vorliegende Erfindung angewandt wird, im Allgemeinen erzeugt,
wenn sich das Flugzeug in der Start- oder Landephase befindet und mindestens
eine Flügelklappe,
insbesondere ein Lift Dumper, an jedem Flügel des Flugzeugs ausgefahren
ist. Diese beiden Wirbelschleppen sind gegenläufig und werden jeweils im
Sog der Flügel des
Flugzeugs erzeugt, wobei jede Wirbelschleppe am hinteren Teil des
entsprechenden Flügels
durch Verschmelzung von mindestens zwei Wirbeln mit gleichem Drehsinn
gebildet wird, von denen einer durch das Ende des Flügels und
der andere durch die ausgefahrene Klappe erzeugt wird. Diese Wirbel
mit gleichem Drehsinn sind auf die Druckgradienten an den Enden
der genannten tragenden Flächen
(Flügelende,
Klappe) zwischen der Unterseite und der Oberseite dieser tragenden
Flächen
zurückzuführen. Der
Druckgradient zwingt das Medium, eine Verdrehung des Endes der entsprechenden
tragenden Fläche
durchzuführen,
wodurch eine Drehbewegung des den Wirbel erzeugenden Mediums generiert wird.
Bei Reisegeschwindigkeit gibt es ebenfalls gegenläufige Wirbelschleppen,
die allein von den Flügelenden
erzeugt werden, aber bei einer Vorrichtung zur Beschleunigung ihrer
Zerstörung
bestünde
die Gefahr, dass ein zu hoher Luftwiderstand erzeugt wird.
-
Um
jegliche Verwechslung zu vermeiden, werden im Rahmen der vorliegenden
Erfindung
- – als
Wirbel", die Wirbelerscheinungen
bezeichnet, die vor der Verschmelzung existieren und die miteinander
verschmelzen; und
- – als „Wirbelschleppe", die Wirbelerscheinungen bezeichnet,
die durch die Verschmelzung von mindestens zwei dieser Wirbel erzielt
werden.
-
Die
beiden gegenläufigen
Wirbelschleppen, die im Sog des Flugzeugs erzeugt werden, können sehr
energiereich sein und ein für
ein Bahnverfolgungsflugzeug sehr destabilisierend wirkendes Geschwindigkeitsfeld
(dieses Geschwindigkeitsfeld wird für gewöhnlich „Sogturbulenz" genannt) und insbesondere
ein großes
Rollmoment sowie eine starke absteigende Bewegung der Luft erzeugen.
Außerdem
besitzen sie eine hohe Lebensdauer (mehrere Minuten), sodass sie
in der Nähe
von Flughäfen
große
Trennabstände
zwischen Flugzeugen erforderlich machen.
-
Gegenwärtig wird
ein festes Trenngitter, das auf der Masse der Flugzeuge beruht,
verwendet, um die Trennabstände
zwischen zwei Flugzeugen beim Starten und Landen zu schaffen. Da
der Luftverkehr ständig
zunimmt, wird die Start- und Landehäufigkeit so auf zahlreichen
Flughäfen
durch zu große
Trennabstände
begrenzt.
-
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die Beschleunigung der
Zerstörung dieses
Paars gegenläufiger
Wirbelschleppen, die in der Start- und der Landephase im Sog eines
Flugzeugs erzeugt werden.
-
Es
sind verschiedene Typen von Vorrichtungen bekannt, die auf verschiedene
Sogwirbel von Flugzeugen wirken sollen.
-
Insbesondere
durch die Patentschrift US-5 492 289 ist eine Methode zur Beschleunigung
der Zerstörung
eines Wirbels bekannt, der im Sog eines Flugzeugs durch das Ende
eines Flügels
oder eine an einem Flügel
montierten Klappe erzeugt wird. Diese bekannte Patentschrift schlägt vor,
die Hinterkante des Flügels
oder der Klappe so zu verändern,
dass die Verteilung des Auftriebs entlang des entsprechenden Flügels verändert wird.
Eine solche Veränderung
des Auftriebs führt
zu einer schnelleren Vergrößerung des
Durchmessers des Wirbels (des Flügel-
oder Klappenendes) und beschleunigt so dessen Zerstörung. Man
kann sich jedoch fragen, wie effektiv diese Methode und vor allem
die tatsächliche
Beschleunigung der Zerstörung
ist. Außerdem
sieht diese bekannte Lösung
eine geometrische Veränderung des
Flügels
vor, was Probleme der praktischen Ausführung aufwirft.
-
Weiterhin
sind durch die Patentschrift US-6 042 059 ein System und eine Methode
zur schnelleren Zerstörung
von Sogwirbeln eines Flugzeugs bekannt. Diese bekannte Methode sieht
die Verwendung kleiner aerodynamischer Flächen zur Erzeugung eines Störwirbels
vor, der den Prozess der Zerstörung
der Sogwirbel auslösen
soll. Diese kleinen aerodynamischen Flächen sind profiliert und an
den tragenden Flächen
des Flugzeugs angeordnet. Sie besitzen jedoch den Nachteil, dass
sie den Luffwiderstand erhöhen.
-
Im Übrigen ist
durch die Patentschrift WO-99/00297 ein aktives System zur Zerstörung der Sogwirbel
eines Flugzeugs bekannt. Dieses bekannte System beruht auf der aktiven Erregung
der mehrfachen Wirbelinstabilitäten
durch die beweglichen Flächen
des Flügels
des Flugzeugs, ohne insoweit die innere Struktur dieser Wirbel zu
verändern
oder eine innere Instabilität
der Kerne dieser Wirbel auszulösen.
Dieses bekannte aktive System ist sehr komplex, da es die Verwendung
eines Rechners und synchronisierter Steuerungen einschließt, die
die kontrollierte Bewegung der Querruder und Lift-Dumper während des
Flugs ermöglichen.
Daher kann es zu Rückwirkungen
auf die Manövrierbarkeit
des Flugzeugs, die Kontrolle seines Auftriebs, die Beanspruchungen
seines Gefüges
und den Komfort der Passiere kommen. Weiterhin ist die Effektivität dieses
bekannten Systems nicht nachgewiesen worden.
-
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile.
Sie betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung der Zerstörung von
zumindest zwei gegenläufigen
Wirbelschleppen, die im Sog eines in Bewegung befindlichen Körpers, insbesondere
im Sog eines Flugzeugs, erzeugt werden, wenn an dem Flugzeug Klappen
ausgefahren sind, das heißt,
in der Start- und der Landephase.
-
Dazu
ist das genannte Verfahren zur Beschleunigung der Zerstörung eines
Paars gegenläufiger
Wirbelschleppen, die jeweils im Sog eines Flügels eines in Bewegung befindlichen
Körpers
mit mindestens zwei Flügeln
erzeugt werden, von denen jeder Flügel mit mindestens zwei tragenden
Flächen versehen
ist und die voneinander durch einen Abstand zwischen den Wirbelschleppen
getrennt sind, wobei jede der genannten gegenläufigen Wirbelschleppen durch
Verschmelzung von mindestens zwei durch die Anordnung der tragenden
Flächen des
Flügels
erzeugten Wirbeln mit gleichem Drehsinn am hinteren Teil des entsprechenden
Flügels
gebildet wird und jeder Wirbel mit gleichem Drehsinn mehrere Arten
Kerninstabilität
aufweist, dadurch bemerkenswert, dass an jedem Flügel in Nähe des Bereichs,
in dem mindestens einer der genannten Wirbel mit gleichem Drehsinn
des Flügels
gebildet wird, eine periodische Störung der Strömung erzeugt
wird, die einer Bénard-von-Kármán-Instabilität entspricht, und
dadurch, dass jede periodische Störung eine Wellenlänge hat,
die mindestens eine der genannten Instabilitätsarten des entsprechenden
Wirbels auslösen
kann, sodass der Kern der gegenläufigen
Wirbelschleppe, der durch die instabile Verschmelzung dieses Wirbels
mit dem anderen Wirbel entsteht, vergrößert wird, sodass der Durchmesser
des Kerns größer als
ein vorher bestimmtes Verhältnis
des Abstands zwischen den Wirbelschleppen wird.
-
So
werden dank der gemäß der vorliegenden Erfindung
erzeugten periodischen Störungen
die Verhältnisse
zwischen den Durchmesser der Kerne der beiden Wirbelschleppen zum
einen und der Abstand zwischen den Wirbelschleppen zum anderen größer als
ein vorher bestimmter kritischer Wert, der zu einer starken Wechselwirkung
der beiden Wirbelschleppen und ihrer schnellen Zerstörung führt. Wenn
dieser kritische Werterreicht ist, kommt es tatsächlich, wie nachstehend beschrieben,
zu einem Medienaustausch zwischen den beiden gegenläufigen Wirbelschleppen
mit Erzeugung kleiner sekundärer
Wirbel, die senkrecht zu den Achsen der Wirbelschleppen liegen.
Dieser Medienaustausch bewirkt eine beträchtliche und schnelle Verringerung
der Zirkulation in jeder Wirbelschleppe und so eine Auflösung oder eine
Zerstörung
des Paars gegenläufiger
Wirbelschleppen.
-
Folglich
gestattet es das der vorliegenden Erfindung entsprechende Verfahren,
die Lebensdauer der gegenläufigen
Wirbelschleppen zu reduzieren und so die vorgenannten Nachteile
zu beseitigen.
-
Obwohl
nicht ausschließlich,
so bezieht sich die vorliegende Erfindung spezieller auf ein Flugzeug.
In diesem Fall sind die beiden tragenden Flächen eines Flügels, die
jeweils die Wirbel mit gleichem Drehsinn erzeugen, im Allgemeinen
zum einen die Endfläche
des Flügels
und zum anderen eine ausgefahrene Klappe. Jedenfalls kann sich die
vorliegende Erfindung auch auf andere in Bewegung befindliche Körper und
insbesondere auf ein Unterseeboot beziehen, bei dem Wirbelschleppen
im Kielwasser seiner Querruder erzeugt werden.
-
Auf
vorteilhafte Weise wird die genannte Instabilitätsart des zu erregenden Kerns
ausgehend von der Größe der Kerne
der Wirbel und der Verhältnisse
zwischen den Größen der
Kerne und dem Abstand zwischen den Wirbeln ermittelt. Vorzugsweise erfolgt
die Ermittlung der genannten Instabilitätsart empirisch. Im Allgemeinen
ist die Wellenlänge
der Instabilitätsart
im Wesentlichen gleich dem mittleren Durchmesser des Kerns des entsprechenden
Wirbels.
-
Im Übrigen ist
die Wellenlänge
einer zu erzeugenden Störung
auf vorteilhafte Weise
- – ein Divisor der instabilsten
Wellenlänge
der Instabilitätsart,
die sie auslösen
soll, was es ermöglicht,
die Größe der zur
Erzeugung dieser Störung verwendeten
Mittel zu verringern; und/oder
- – in
einem Instabilitätsband
jedes Wirbels mit gleichem Drehsinn des entsprechenden Flügels gelegen.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Beschleunigung
der Zerstörung eines
Paars von Wirbelschleppen wie die vorher beschriebenen.
-
Erfidungsgemäß ist die
Vorrichtung dadurch bemerkenswert, dass sie an jedem Flügel mindestens
ein Störmittel
besitzt, das in der Nähe
des Bereichs angeordnet ist, in dem einer der Wirbel mit gleichem
Drehsinn des Flügels
erzeugt wird, und dadurch, dass jedes Störmittel eine periodische Störung der
Strömung
erzeugen kann, die einer Bénard-von-Kármán-Instabilität entspricht
und eine Wellenlänge
besitzt, die mindestens eine der Instabilitätsarten des entsprechenden
Wirbels auslösen kann,
sodass der Kern der gegenläufigen
Wirbelschleppe, der durch die Verschmelzung dieses Wirbels mit dem
anderen Wirbel mit gleichem Drehsinn entsteht, vergrößert wird,
sodass der Durchmesser des Kerns größer als ein vorher bestimmtes
Verhältnis
des Abstands zwischen den Wirbelschleppen wird.
-
Auf
vorteilhafte Weise umfasst zumindest eines der Störmittel
Folgendes:
- – in einer ersten Ausführungsart
ein nicht profiliertes Element, zum Beispiel einen Zylinder, dessen scheinbarer
Durchmesser quer zur Strömung
von der Wellenlänge
der zu erzeugenden periodischen Störung abhängt; und
- – in
einer zweiten Ausführungsart
ein Mittel, um einen Medienstrahl zu erzeugen, der quer zur genannten
Strömung
abgegeben wird. Wenn der Medienstrahl rechtwinklig zur Strömung abgeht, muss
seine Geschwindigkeit mindestens gleich der Geschwindigkeit des
in Bewegung befindlichen Körpers
sein und sein Durchmesser in derselben Größenordnung liegen wie der scheinbare Durchmesser
eines nicht profilierten Elements, das an seiner Stelle verwendet
werden kann.
-
So
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
von einfacher und wenig kostenaufwändiger Ausführung. Außerdem ist sie passiv und sehr
robust.
-
Im Übrigen ist
auf vorteilhafte Weise mindestens ein Störmittel einklappbar. Dazu kann
das Störmittel
vorzugsweise in das Innere des Flügels oder von am Flügel montierten
Verkleidungen (zum Beispiel Verkleidung des Stielendes) oder der
Klappe eingezogen werden. Dadurch ist es möglich, den Luftwiderstand nicht
zu vergrößern und
somit die Leistungen des in Bewegung befindlichen Körpers insbesondere
bei Nichtvorhandensein von gegenläufigen Wirbelschleppen, insbesondere
bei Reiseflug im Falle eines Flugzeugs, nicht zu verringern.
-
Die
Figuren der beigefügten
Zeichnung erleichtern das Verständnis
dafür,
wie die Erfindung ausgeführt
werden kann. In diesen Figuren werden mit identischen Bezugsnummern ähnliche
Elemente bezeichnet.
-
1 zeigt teilweise und schematisch
ein Flugzeug, auf das eine erfindungsgemäße Vorrichtung angewandt wird.
-
Die 2 und 3 stellen jeweils 2 verschiedene Ausführungsarten
eines Störmittels
einer efindungsgemäßen Vorrichtung
dar.
-
4 ist ein Übersichtsschema,
das die verschiedenen Hauptstufen der Beschleunigung der Zerstörung der
Wirbelschleppen durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1,
die schematisch in 1 dargestellt
ist, ist an einem Flugzeug 2, insbesondere einem Verkehrsflugzeug montiert,
von dem nur die beiden Flügel 3A und 3B und
ein Teil des Rumpfs 4 dargestellt sind, um die Zerstörung von
mindestens zwei gegenläufigen
Wirbelschleppen 5A und 5B zu beschleunigen, die
im Sog der Flügel 3A beziehungsweise 3B erzeugt
werden und durch einen Abstand D zwischen den Wirbelschleppen (Abstand
zwischen den Mittelpunkten der Kerne der genannten Wirbelschleppen 5A und 5B)
voneinander getrennt sind.
-
Es
ist bekannt, dass die Wirbelschleppe 5A am hinteren Teil
des Flügels 3A durch
Verschmelzung von mindestens zwei Wirbeln mit gleichem Drehsinn 7A und 7B gebildet
wird, von dem der eine 7A durch das Ende 9A des
Flügels 3A und
der andere 8A durch das Ende der ausgefahrenen Klappe 6A erzeugt
wird, wobei jeder Wirbel mit gleichem Drehsinn 7A und 8A wie
nachstehend angegeben mehrere Kerninstabilitäten aufweist. Die Wirbel mit
gleichem Drehsinn 7A und 8A halten sich in einem
Abstand L1, bevor sie in einem Abstand L2 verschmelzen. Die Wirbelschleppe 5B wird
ebenso am hinteren Teil des Flügels 3B durch
Verschmelzung von mindestens zwei Wirbeln mit gleichem Drehsinn 7B und 8B gebildet,
von denen der eine 7B durch das Ende 9B des Flügels 3B und
der andere 8B durch das Ende der ausgefahrenen Klappe 6B erzeugt
wird.
-
Diese
beiden gegenläufigen
Wirbelschleppen 5A und 5B oder mehr, die im Sog
des Flugzeugs 2 erzeugt werden, können sehr energiereich sein
und ein für
ein Bahnverfolgungsflugzeug sehr destabilisierend wirkendes Geschwindigkeitsfeld
und insbesondere ein großes
Rollmoment sowie eine starke absteigende Bewegung der Luft erzeugen.
Außerdem
besitzen sie eine hohe Lebensdauer (mehrere Minuten), sodass sie
in der Nähe
von Flughäfen
große
Trennabstände
zwischen Flugzeugen erforderlich machen.
-
Erfindungsgemäß wird zur
Beschleunigung der Zerstörung
der Wirbelschleppen 5A und 5B an jedem Flügel 3A und 3B in
Nähe des
Bereichs 10A, 10B, in dem mindestens einer 8A, 8B der
genannten Wirbel mit gleichem Drehsinn 7A, 8A; 7B, 8B des Flügels 3A, 3B eine
periodische Störung
der Strömung
erzeugt. Jede dieser periodischen Störung hat eine Wellenlänge, die
mindestens eine, vorzugsweise aber mehrere der genannten Instabilitätsarten
des entsprechenden Wirbels 8A, 8B auslösen kann,
sodass der Kern der gegenläufigen
Wirbelschleppe 5A, 5B, der durch die instabile
Verschmelzung dieses Wirbels 8A, 8B mit dem anderen
Wirbel 7A, 7B entsteht, vergrößert wird, sodass der Durchmesser
dA, dB des Kerns größer als
ein vorher bestimmtes Verhältnis
(mindestens vorzugsweise gleich 0,3) des Abstands zwischen den Wirbelschleppen
D wird. Man spricht von „instabiler" Verschmelzung um
zu unterstreichen, dass die Verschmelzung bei Vorhandensein von
Kerninstabilitäten
in der Regel nicht erfolgt.
-
Dazu
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 an
jedem der Flügel 3A, 3B mindestens ein
nachstehend beschriebenes Störmittel 11 oder 12,
das in der Nähe
des Bereichs 10A, 10B, in dem einer der genannten
Wirbel mit gleichem Drehsinn 8A, 8B des Flügels 3A, 3B gebildet
wird, das heißt, im
Beispiel der 1 in der
Nähe des
Endes der Klappe 6A, 6B angeordnet ist, und das
die genannte periodische Störung
erzeugen kann.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erzeugt also
für jede
Wirbelschleppe 5A, 5B eine Störung, die eine genaue Wellenlänge hat
und das Maximum instabiler Arten, insbesondere die so genannte „elliptische" Instabilität des entsprechenden
Wirbels, beispielsweise des Wirbels 8A am Klappenende 6A im Beispiel
der 1, beim Flügel 3A auslösen kann. Diese
Störung
bewirkt, dass der Kern des Wirbels 8A schwingt und macht
ihn instabil. Dieser Wirbel 8A weist also Störungen seiner
inneren Struktur auf.
-
In
dem Maße,
wie die Verschmelzung dieses Wirbels 8A mit dem Wirbel 7B (am
Ende 9A des Flügels 3A)
erfolgt, kontaminiert der stark gestörte Wirbel 8A den
Wirbel 7A. Die Instabilität des Wirbels 8A verändert den
Verschmelzungsprozess der beiden Wirbel 7A und 8A.
Folglich ist der Durchmesser dA der aus der instabilen Verschmelzung
dieser Wirbel 7A und 8A entstandenen Wirbelschleppe 5A größer und
seine Innenturbulenz ist höher
als bei Nichtvorhandensein von Instabilität.
-
Natürlich ist
diese Erscheinung bei der Wirbelschleppe 5B, die durch
die instabile Verschmelzung der beiden, am anderen Flügel 3B des
Flugzeugs 2 gebildeten Wirbel 7B und 8B entsteht, gleich.
-
Es
sind also zwei gegenläufige,
stark gestörte
gegenläufige
Wirbelschleppen 5A und 5B mit großen Durchmessern
dA und dB vorhanden. Wie bereits vorstehend angegeben; verursachen
die (Istabilitäten,
unter der Bedingung, dass diese Durchmesser dA und dB groß genug
sind [mit anderen Worten, dass die Verhältnisse dA/D und dB/D größer sind
als ein vorher festgelegter kritischer Wert (zum Beispiel 0,3) oder
dass dA und dB größer werden
als ein vorher bestimmtes Vefiältnis
des Abstands zwischen den Wirbelschleppen D) einen Medienaustausch
zwischen den beiden Wirbelschleppen 5A und 5B durch Erzeugung
nicht dargestellter sekundärer
Wirbelschleppen von geringem Umfang, die senkrecht zu den Achsen
der Hauptwirbelschleppen 5A und 5B liegen. Diese
Situation führt
zu einer schnellen Auflösung
des Paars gegenläufiger
Wirbelschleppen 5A und 5B und zu einer schnellen
Verringerung der Zirkulation jeder Wirbelschleppe 5A, 5B.
Mit anderen Worten werden die Wirbelschleppen 5A, 5B so
viel schneller zerstört
als bei Nichtvorhandensein von Instabilität.
-
In 4 sind die Hauptstufen des
vorher beschriebenen Prozesses dargestellt, der durch die Wirkung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur beschleunigfen
Zerstörung
der Wirbelschleppen 5A, 5B der 1 führt.
Dieser Prozess umfasst folgende Stufen (wobei der Buchstabe A eine
Erscheinung oder eine Stufe veranschaulicht, die am Flügel 3A abläuft, und
der Buchstabe B veranschaulicht dieselbe Erscheinung, die am Flügel 3B abläuft):
- – in
E1A und E1B sind die vorgenannten periodischen Störungen angegeben,
die durch die Wirkung der Vorrichtung 1 erzeugt werden
und jeweils einer unter dem Begriff „Bénardvon-Kármán-Instabilität" bekannten Instabilität entsprechen;
- – in
E2A und E2B werden die dreidimensionalen Instabilitäten des
Kerns, insbesondere „elliptische" Instabilitäten, die
zwischen den Wirbeln 8A und 8B vorhanden sind,
durch die erfindungsgemäß erzeugten
periodischen Störungen
vergrößert.
- Es ist bekannt, dass sich diese dreidimensionalen Instabilitäten in einem
Wirbel entwickeln, der einer Aufdehnung ausgesetzt ist. Dazu kommt
es bei Wirbelpaaren mit gleichem Drehsinn (oder gegenläufigen Wirbelpaaren},
wobei die Aufdehnung an jedem Wirbel durch das Vorhandensein des
anderen Wirbels ausgelöst
wird, was den Wirbel instabil macht. Die daraus entstehende Instabilität führt zu Störungen der
inneren Struktur des Wirbels bei einer charakteristischen Axialwellenlänge von etwa
dem Durchmesser des Wirbelkerns.
- Die elliptische Instabilität
ist nachgewiesen worden:
– bei
gegenläufigen
Wirbeln durch Leweke, T. und Williamson, C.H.K. in einem Artikel
mit dem Titel „Cooperative
elliptic instability of a vortex par", der in der Veröffentlichung „J. Fluid
Mech", Bd. 360,
S. 85–119
erschienen ist; und
– bei
Wirbeln mit gleichem Drehsinn durch Meunier, P., Leweke, T. und
Abid, M. in einem Artikel mit dem Titel „Three-dimensional instability
of two merging vortices",
der in der Veröffentlichung „Advances
in Turbulence VIII" CIMNE,
S. 15–18,
erschienen ist.
-
Die
elliptische Instabilität
verändert
die Langzeitentwicklung der Wirbelpaare sowohl bei den Wirbeln mit
gleichem Drehsinn als auch den gleichlaufenden Wirbeln beträchtlich.
-
Die
Haupterscheinung in der Wechselwirkung der gleichlaufenden Wirbel
(zum einen 7A und 8A, 7B und 8B zum
anderen) ist die Verschmelzung der zwei Wirbel zu einer einzigen
Wirbelschleppe 5A, 5B, sobald die Strahlen der
Kerne dieser Wirbel mit gleichem Drehsinn, die im Laufe der Zeit
durch viskose oder turbulente Diffusion der Wirbligkeit zunehmen,
einen kritischen Bruchteil des Abstands zwischen den Mittelpunkten
der Kerne dieser Wirbel überschreiten;
- – diese
Verschmelzungen zwischen 7A und 8A zum einen und
zwischen 7B und 8B zum anderen erfolgen in den
Stufen E3A beziehungsweise E3B.
Aufgrund der Instabilitäten (die
erfindungsgemäß verstärkt wurden)
der Wirbel 8A und 8B besitzen die Wirbelschleppen 5A und 5B,
die durch diese instabilen Verschmelzungen erzeugt werden, größere Durchmesser
dA und dB und höhere
innere Turbulenzwerte als ohne Verstärkung.
Erfindungsgemäß sind diese
Durchmesser dA und dB größer als
ein bestimmtes Verhältnis
(zum Beispiel 0,3) des Abstands D zwischen den Wirbelschleppen;
und
- – durch
das Erzielen von Durchmessern dA und dB, die solche Größen bestätigen, verursacht
der nichtlineare Zustand der Instabilität zwischen gegenläufigen Wirbelschleppen
(Stufe 4) einen Medienaustausch zwischen den beiden Wirbelschleppen 5A und 5B durch
Erzeugung kleiner sekundärer
Wirbelschleppen, die senkrecht zu den Achsen der Hauptwirbel liegen.
Diese Situation bewirkt schnell eine Auflösung des ursprünglichen
Wirbelschleppenpaars 5A und 5B durch eine turbulente
Bewegung des Mediums in kleinem Umfang und eine beträchtliche
und schnelle Verringerung der Zirkulation jeder Wirbelschleppe.
Die Wirbelschleppen 5A und 5B werden so schneller
zerstört.
-
Erfindungsgemäß werden
die Instabilitätsarten
der Wirbel mit gleichem Drehsinn 8A und 8B, die ausgelöst werden
sollen, ausgehend von der bekannten, teilweise vorstehend vorgestellten
Instabilitätstheorie
bestimmt, die durch Simulationen und Experimente bestätigt worden
ist. Es ist zu beachten, dass die Parameter, die die Instabilitätsarten
bestimmen im Wesentlichen die Größe (Durchmesser)
der Kerne der Wirbel 7A, 7B, 8A, 8B vor
der Verschmelzung und das Verhältnis
Größe des Kerns/Abstand zwischen
diesen Wirbeln sind. Die Veränderung
der Reynoldschen Zahl (die die Wirkung der Viskosität des Mediums
ausdrückt}
hat praktisch keinen Einfluss in den auf ein Flugzeug angewandten
Situationen.
-
Außerdem können die
instabilsten Wellenlängen
der Instabilitätsarten
durch die Theorie der elliptischen Instabilität ausgehend von den vorstehenden
Parametern bestimmt werden. Diese Vorhersagen geben jedoch lediglich
eine Größenordnung
für die
betrachtete Situation. Die instabilsten Wellenlängen sind etwa so groß wie der
mittlere Durchmesser des Kerns des entsprechenden Wirbels. In der
betrachteten Situation müssen
die genauen Werte empirisch gefunden werden. Die zu erzeugenden
Störungen
müssen
Wellenlängen
besitzen, die in der Nähe
von denen der Instabilitätsart
oder einem Divisor der Instabilitätsart liegen.
-
Außerdem liegt
die Wellenlänge
einer zu erzeugenden Störung
erfindungsgemäß in einem
Instabilitätsband
jeder Wirbelschleppe mit gleichem Drehsinn des entsprechenden Flügels.
-
Wie
vorstehend angegeben umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mindestens
zwei Störmittel,
die jeweils nach verschiedenen Ausführungsarten 11, 12 ausgeführt werden
können.
-
In
einer ersten, in 2 veranschaulichten Ausführungsart,
umfasst das Störmittel 11 ein
nicht profiliertes Element 13, dessen „scheinbarer" oder „tatsächlicher" Durchmesser quer
zur Strömung
von der Wellenlänge
der zu erzeugenden periodischen Störung abhängt.
-
Vorzugsweise
ist dieses nicht profilierte Element 13 ein Zylinder, beispielsweise
mit rundem Querschnitt, wie in 2 dargestellt.
Jedenfalls kann dieser Zylinder ebenfalls einen elliptischen oder
sogar einen beliebigen Querschnitt besitzen. Es kann sich ebenfalls
um eine stark angestellte flache Platte, die beispielsweise um 45° geneigt
ist, handeln.
-
Die „tatsächliche" Querabmessung (oder Breite)
des Elements 13 bestimmt also die Wellenlänge der
erzeugten Störung.
Diese „tatsächliche" Breite hängt davon
ab, in welchem Grad die Stromlinien durch das Element 13 abgelenkt
werden. Sie ist nicht zwangsläufig
identisch mit der talsächlichen
Abmessung des Elements 13. Beispielsweise lenkt eine flache,
senkrecht zur Strömung
liegende Platte die Stromlinien viel mehr ab als ein Zylinder mit
demselben Durchmesser. Außerdem
ist das Verhältnis
zwischen „tatsächlicher" Abmessung und erzeugter
Wellenlänge
des Sogs auf rein empirische Weise für eine bestimmte Anzahl von
Elementen bekannt: es gibf kein theoretisches Ergebnis. Die Wellenlänge ist
ein Vielfaches der „tatsächlichen" Breite des Elements: Man
kann sich also im Voraus eine ungefähre Vorstellung von der Größe des Efements 13 machen, das
Verhältnis
muss jedoch für
jede geplante Form erneut empirisch gefunden werden.
-
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Element 13 also
jedem (nicht profilierten) Element entsprechen, das es ermöglicht,
die vorgenannte periodische Störung
der Strömung
zu erzeugen.
-
Weiterhin
ist dieses Element 13 einklappbar. Dazu kann es vorzugsweise
in das Innere des Flügels 3A, 3B oder
der Klappe 6A, 6B oder von existierenden Verkleidungen,
in deren Nähe
es vorgesehen ist, mit Hilfe von üblichen, nicht dargestellten
Einziehmitteln eingezogen werden. Dies ermöglicht es, den Luftwidersfand
nicht zu vergrößern und
somit die Leistungen des Flugzeugs 2 insbesondere im Reiseflug
nicht zu verringern.
-
In
einer zweiten Ausführungsart,
die schematisch in 3 dargestellf
ist, umfasst das Störmittel 12 ein
Mittel 14 üblichen
Typs, um einen Medienstrahl 15 zu erzeugen, wie durch Pfeile 16 dargestellf ist.
Dieser Medienstrahl 15 wird quer zur Strömung E abgegeben,
sodass er die erfindungsgemäße Störung P,
wie teilweise dargestellf, erzeugt. Wenn der Medienstrahl 15 rechtwinklig
zur Strömung
E abgeht, muss seine Geschwindigkeit mindestens gleich der Geschwindigkeit
des Flugzeugs 2 sein und sein Durchmesser in derselben
Größenordnung
liegen wie der scheinbare Durchmesser eines nicht profilierten Elements 13,
das an seiner Stelle verwendet werden kann.
-
Vorzugsweise
ist das Mittel 14 im Inneren der Struktur 17 angeordnet,
die in der Nähe
des Erzeugungsbereichs 10A, 10B, zum Beispiel
im Inneren der Klappe 6A, 6B oder des Flügels 3A, 3B,
liegt. Ist dies nicht der Fall, kann das Mittel 14 ebenfalls
einklappbar sein.
-
Wie
vorstehend angegeben muss das Störmittel 11, 12 so
gewählt
werden, dass es eine Störung
mit einer Wellenlänge
erzeugt, die das Maximum an instabilen Arten der elliptischen Instabilität der Wirbel
mit gleichem Drehsinn auslösen
kann.
-
Zur
Veranschaulichung ist ein Beispiel eines scheinbaren oder tatsächlichen
(Quer-) Durchmessers (es kann sich um den scheinbaren Durchmesser des
nicht profilierten Elements 13, wie des „scheinbaren
Durchmessers" des
Medienstrahls 15 handeln) etwa 10 cm groß und erzeugt
eine Störung
mit einer Wellenlänge
von etwa 50 cm. Ein repräsentativer
Radius des Wirbels am Flügel-
oder Klappenende vor der Verschmelzung kann etwa 1 Meter (m) betragen, was
eine maximale Wellenlänge
der elliptischen Instabilität
von 3 m ergibt, zu der eine Vielzahl von instabilen kleineren Wellenlängen hinzukommt.
Die durch die Vorrichtung 1 erzeugte Instabilität kann die Arten,
die dieselbe Wellenlänge
haben, aber auch alljene auslösen,
die nahe der Vielfachen liegen. Im betrachteten Beispiel würde die
von der Vorrichtung 1 erzeugte Störung die Arten mit Wellenlängen von
50 cm, 1 m usw. bis zu 3 m (über
diesem Wert sind die Wirbel stabil), also insgesamt ein Maximum
von sechs instabilen Arten auslösen.
-
Es
ist zu beachten, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mindestens
ein Störmittel 11, 12 pro
Wirbelschleppe 5A, 5B umfassen kann. Natürlich kann
sie auch zwei (oder mehr) Störmittel
umfassen, von denen dann eines auf den Wirbel am Flügelende und
das andere auf den Wirbel am Klappenende wirkt. Umfasst sie vorzugsweise,
jedoch nicht ausschließlich
nur eines pro Wirbelschleppe, wirkt dieses Störmittel auf den Wirbel 8A, 8B des
Klappesendes 6A, 6B, der aufgrund einer unterschiedlichen
Auftriebsverteilung, die günstiger
für die
Wirbelerzeugung ist als der Wirbel 7A, 7B am Ende 9A, 9B des Flügels 3A, 3B,
energiereicher ist.
-
Die
Vorrichtung 1 kann natürlich
zur Beschleunigung der Zerstörung
einer Wirbelschleppenzahl von größer zwei
verwendet werden, indem eine geeignete Anzahl von Störmitteln 11, 12 vorgesehen wird.
-
Es
ist ferner zu beachten, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 passiv,
einfach, robust und wenig kostenaufwändig ist.
-
Die
vorliegende Erfindung kann auf jeden in Bewegung befindlichen Körper, der
Wirbelschleppen im Sog seiner Flügel
(im werteren Sinne) hat, und insbesondere auf ein Unterseeboot angewant
werden, um seine Ortung insbesondere über Satellit schwieriger zu
machen.