DE930724C

DE930724C - Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung des Abloesens eines stroemenden Mediums von einem umstroemten Koerper

Info

Publication number: DE930724C
Application number: DEST3996A
Authority: DE
Inventors: Arthur Veryan Stephens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-10-24
Filing date: 1951-10-24
Publication date: 1955-07-21

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung des Ablösens eines strömenden Mediums von einem umströmten Körper Die Erfindung bezweckt, das Ablösen einer Strömung von der Oberfläche eines umströmten Körpers einzuschränken oder zu verhindern. Sie ist insbesondere für Körper mit in der Strömungsrichtung gekrümmten Flächen anwendbar.
An einer von einem Medium umströmten Oberfläche eines Körpers bildet sich bekanntlich eine Grenzschicht von geringer Strömungsgeschwindigkeit aus. Die Stärke dieser Grenzschicht nimmt in der Regel längs der Fläche in der Strömungsrichtung zu, und schließlich entsteht aus ihr eine Schicht mit turbulenter Strömung, was zur Folge hat, daß sich die Hauptströmung von der Oberfläche des Körpers ablöst und das Flächenprofil nicht mehr zur Wirkung auf das Strömungsmittel gelangt. Der Beginn der Ablösung ist abhängig von dem Druckgradienten längs der Strömung, der seinerseits von dem Profil des umströmten Körpers abhängt. Aufgabe der Erfindung ist es, das Ablösen der Strömung von der Oberfläche des umströmten Körpers einzuschränken oder zu verhindern, indem die Stärke der Grenzschicht möglichst über die gesamte Oberfläche des umströmten Körpers gering gehalten wird.
Erfindungsgemäß wird die Strömung an der Oberfläche des Körpers in Teilströme zerlegt, von denen ein Teil unter Ablösung von der Fläche in den ungehemmten Strom abgeleitet wird, während ein anderer Teil zur Bildung der Grenzschichtströmung dient. Die Aufteilung kann einmalig oder zu mehreren Malen nacheinander erfolgen.
Insbesondere wird die Aufteilung dadurch herbeigeführt, daß die Strömung in nebeneinanderliegende Abschnitte aufgeteilt wird, wobei das Strömungsmittel jedes zweitem Abschnittes von der Oberfläche des Körpers abgelenkt und in einiger Entfernung von ihr in die ungehemmte Strömung eingeleitet wird, während dem Strömungsmittel der übrigen Abschnitte Gelegenheit gegeben wird, sich seitlich in die frei werdenden Zwischenräume auszudehnen. Auf Grund der seitlichen Ausdehnung wird die Stärke der Grenzschicht geringer, und sie verteilt sich gegebenenfalls über die gesamte Oberfläche des umströmten Körpers.
Die Erfindung wird unter Bezug auf die schematischen Darstellungen einiger Beispiele erläutert. Es zeigen Fig. I und Ia zwei schaubildliche Teilansichten für verschiedene Formgebungen gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist eine schaubildliche Wiedergabe der Anwendung der Erfindung auf verschiedene Teile eines Flugzeuges; Fig. 3, 4 und 5 sind Einzelansichten in vergrößertem Maßstab von Teilen der Fig. 2; Fig. 6 ist eine schaubildliche Darstellung der Anwendung der Erfindung auf ein Motorfahrzeug und Fig. 7 eine schaubildliche Wiedergabe eines Diffusors unter Anwendung der Erfindung.
Fig. I zeigt, wie man die gewünschte Wirkung durch die Ausstattung einer umströmten Fläche I allgemeiner Form mit vorspringenden Flächen 2 von im wesentlichen dreieckigem Grundriß erreichen kann. Die Wurzeln 3 dieser vorspringenden Flächen liegen vorn. Es ist zweckmäßig, daß die Seiten 6 der dreieckigen Flächen derart S-förmig geschwungen sind, daß sie anfangs eine geringe Neigung gegenüber der Strömungsrichtung, im mittleren Teil eine stärkere und an den Spitzen wiederum eine geringere Neigung aufweisen. Die seitlichen Begrenzungsflächen der vorspringenden Flächen bilden an der Spitze des Dreiecks eine Schneide 7, die im wesentlichen senkrecht auf der umströmten Fläche I steht. In gewissen Fällen kann der hintere Teil der vorspringenden Flächen abgerundet sein. Der Längsschnitt der oberen Flächen der vorspringenden Flächen kann geradlinig sein, er kann aber auch gekrümmt, vorzugsweise vorn und hinten der Hauptströmungsrichtung angepaßt sein.
Seitlich sind die vorspringenden Flächen in einem Abstand 8 voneinander angeordnet, wobei dieser Abstand ein Bruchteil der Wurzellänge der vorspringenden Flächen, z. B. ein Sechstel, beträgt. Zwischen zwei benachbarten vorspringenden Flächen entsteht ein Kanal 9, der sich in Richtung der Strömung seitlich verbreitert und in dem die Teile der Grenzschicht, welche in den Kanal einströmen, sich seitlich ausdehnen können. Die Grenzschicht auf der Oberfläche der vorspringenden Flächen wird in einem gewissen Abstand von der Fläche I in die ungehemmte Strömung hineingeleitet.
Es können mehrere Reihen von vorspringenden Flächen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein. Die einzelnen vorspringenden Flächen können dabei hintereinander oder auf. Lücke angeordnet sein.
Ferner können die vorspringenden Flächen verschiedene Form oder Stärke innerhalb der gleichen Reihe oder in verschiedenen Reihen aufweisen, wobei diese Abwandlungen auf die jeweiligen Bedingungen abgestellt werden. Dies weiteren können die vorspringenden Flächen mit der Grundfläche fest verbunden oder ihr gegenüber beweglich, z. B. um ihre Vorderkante schwenkbar angeordnet sein, um sie durch Absenken in den umströmten Körper ganz oder teilweise außer Wirksamkeit zu bringen oder sie so weit auszufahren, daß sie im wesentlichen senkrecht zur Strömung stehen und als Bremse wirken.
Versuche haben gezeigt, daß die Ablenkung eines Teiles der Grenzschicht durch die Oberflächen der vorspringenden Flächen wichtiger ist als die genaue Begrenzung der zwischen ihnen liegenden Kanäle, die durch die Seitenflächen der vorspringenden Flächen gebildet werden. Daher ist es möglich, die erfindungsgemäße Wirkung dadurch zu erhalten, daß man den vorspringenden Flächen die Form von ansteigenden dünnen Blättern gibt. Wie in Fig. I a gezeigt ist, kann ein derartiges Blatt durch einen Steg 6a längs der Mittelachse getragen werden.
Die erfindungsgemäße Wirkung wird auch erzielt, wenn die Oberflächen der vorspringenden Flächen in der Strömungsfläche liegen und die Kanäle in dieser Aushöhlungen bilden, denn die auf diese Weise erzielte Wirkung kann derjenigen einer In mittlerer Höhe der vorspringenden Flächen und Ausnehmungen liegenden Fläche gleichgestellt werden.
Die Fig. 2 bis 7 zeigen Beispiele für umströmte Flächen, auf welche die Erfindung angewandt werden kann. Ein wichtiges Beispiel ist der Flügel eines Flugzeuges, insbesondere der Flügel mit dünnem Querschnitt für hohe Geschwindigkeiten, oder die Strömungsflächen eines Unterseefahrzeuges. So ist in den Fig. 2 und 3 ein Teil der Leitflächen eines Flugzeugflügels II gezeigt, der mit drei Reihen von vorspringenden Flächen I2 ausgestattet ist. Die Reihen sind in diesem Beispiel in Abständen voneinander angeordnet; können aber auch so angeordnet werden, daß die Spitzen der einen Reihe in die Wurzellinie der nächsten Reihe hineinfallen.
Fig. 2, 4 und 5 zeigen weiterhin die Anwendung der Erfindung auf die Oberfläche von Querruder und Leitflächen eines Flugzeuges.
Die Querruder I4 sind im wesentlichen Verlängerungen der Flügelfläche. Indessen soll die Leitkante der Querruder ausgezackt sein, wobei die Auszackung im wesentlichen etwa dreieckförmig ausgebildet ist und die Räume zwischen den Aus zackungen durch entsprechende Ansätze 13 an der Flügelfläche ausgefüllt werden. Sobald die Querruder .aasgelenkt werden, ist das Strömungsmittel gezwungen, zwischen den Auszackungem hindurchzuströmen und :sich in Strömungsrichtung seitlich auszudehnen. Die Auszackungen am Flügel bilden also die vorspringenden Flächen gemäß. der Erfindung, und die hinteren Enden der vorspringenden Flächen stehen nach einem Auslenken der Querruder aus der Fläche des Steuers entweder heraus i oder annd in diese versenkt. Ähnliche Vorkehrungen können auch für andere doppelseitige Steuerflächen vorgesehen werden, so z. B. für das Höhen- und Seitensteuer von Flugzeugen oder bei Wasserfahrzeugen an der Verbindungsstelle zwischen dem Ruder und dem Schiffsrumpf. Soweit erforderlich, können auch angelenkte vorspringende Flächen verwendet und durch entsprechende Übertragungsmittel von der Betätigungsvorrichtung für die Ruder bewegt werden, damit das Vorstehen der vorspringenden Flächen der jeweiligen Stellung der Ruder besser angepaßt wird.
Die Fig. 5 zeigt eine andere Anordnung einer Reihe von vorspringenden Flächen I5 in Verbindung mit den Leitflächen I6. Diese vorspringenden Flächen I5 können längs ihrer Wurzellinien angelenkt sein, um es möglich zu machen, daß sie außer Wirkung gebracht werden. Sie können z. B. so weit abgesenkt werden, daß ihre Oberflächen mit der Flügelfläche zusammenfallen, wenn die Leitflächen I6 nicht in Tätigkeit sind.
Fig. 2 zeigt als weiteres Beispiel de Anwendung der Erfindung auf einen Flugzeugrumpf, an dem zwei Reihen von vorspringenden Flächen I7 in der Nähe der Ansatzstelle der Flügel angeordnet sind, wo das Bestreben der Ablösung der Strömung ebenfalls vorliegt.
Ein ähnliches Anwendungsgebiet ergibt sich bei der Karosserie eines Motorfahrzeuges, wie in Fig. 6 dargestellt. Obwohl die Karosserie der derzeitigen Motorfahrzeuge oft als »stromlinienförmig« bezeichnet wird, sind die tatsächlich angewandten Formen weit von den Formen entfernt, welche diese Bezeichnung tatsächlich verdienen. Die erfindungsgemäßen vorspringenden Flächen können in einer oder mehreren Reihen an beliebigen Stellen vorgesehen werden, wo das Ablösen der Strömung zu erwarten ist.
Fig. 6 zeigt eine einzige Reihe 3I von vorspringenden Flächen am Beginn der hinteren Dachkrümmung der Karosserie, also an einer Stelle, an welcher die Ablösung der Strömung in besonders hohem Maße zu befürchten ist. Die Erfindung kannentsprechend auf alle Teile der Hülle eines Wasserfahrzeuges angewandt werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung bietet sich in Flüssigkeitsleitungen, in welchen die Flüssigkeitsströmung infolge Richtungswechsel oder Querschnittsänderungen turbulent vor sich geht. Als Anwendungsbeispiel für dieses Gebiet zeigt die Fig. 7 einen Diffusor 2I von quadratischem Querschnitt, in welchem Reihen von vorspringenden Flächen 22 an den Seitenwänden vorgesehen sind. Wie schon bemerkt, können die Reihen anstatt im Abstand zueinander auch dicht aneinander anschließend angeordnet sein. Die Leitung kann für ein gasförmiges Strömungsmittel, z. B. für eine Auslaß- oder Eintrittsöffnung eines Kompressors, oder aber auch für :ein flüssiges Mittel vorgesehen sein.
Auch bei Propellern für gasförmige oder flüssige Strömungsmittel, z. B. Flugzeug- und Schiffsschrauben, ist die Erfindung anwendbar. Die vorspringenden Flächen können z. B. längs der Leitkanten angeordnet werden, entsprechend den vorspringenden Flächen I2 nach Fig. 2.
Die vorspringenden Flächen gemäß der Erfindung müssen nicht auf der gesamten umströmten Fläche vorgesehen werden, sondern können, wie dargestellt, auf diejenigen Stellen der Fläche beschränkt werden, an die die Strömung zur Ablösung neigt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Verhinderung des Ablösens eines strömenden Mediums von einem umströmten Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung an der Oberfläche des Körpers in Teilströme zerlegt wird, von denen ein Teil unter Ablösung von der Oberfläche des umströmten Körpers in den ungehemmten Strom abgeleitet wird, während ein anderer Teil zur Bildung der Grenzschichtströmung dient.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung in bezug auf die umströmte Fläche in zwei Gruppen von Teilströmen zerlegt wird, von denen die eine in die ungehemmte Strömung hineingeführt wird, während die andere unter seitlicher Verbreiterung die Grenzschichtströmung über die ganze Fläche bildet.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich aus der Oberfläche (I) des umströmten Körpers eine Anzahl von Flächen (2) erhebt, die im wesentlichen dreieckförmige Gestalt mit in der Oberfläche (I) des umströmten Körpers liegender Grundlinie (3) und nach hinten weisender Spitze (5) haben, derart, daß der Abstand der dreieckförmigen Fläche (2) von der Oberfläche (I) des Körpers in Richtung auf die Spitze (5) ständig zunimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Oberfläche (I) des umströmten Körpers vorspringenden Flächen (2) an den Seiten (6) durch Flächen abgeschlossen sind, die hinten in einer Schneide (7) ,enden oder in eine Abrundung auslaufen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und q., dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (6) und gegebenenfalls die Schneide (7) im wesentlichensenkrecht auf der Oberfläche (i) des umströmten Körpers stehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (6) eine gekrümmte Form, vorzugsweise eine S-Form haben und gegenüber der Strömungsrichtung am Anfang und Ende eine geringe, in der Mitte aber eine stärkere Neigung aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Oberfläche (i) des umströmten Körpers vorspringenden Flächen (2a) von Stegen (6a) getragen werden. B.
Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringendlen Flächen (2, 2a) im Längsschnitt geradlinig verlaufen. 9.
Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (2, 2a) im Längsschnitt gewölbt verlaufen und an beiden Enden der Oberfläche (I) des, umströmten Körpers zu gebogen sind. Io.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (I2, I3, I5) reihenartig nebeneinander angeordnet sind und die seitlichen Abstände (8) zwischen den einzelnen Flächen (2, 2a) einen Bruchteil, vorzugsweise ein Sechstel der Länge der vorderen Dreieckseite (3) ausmachen.
II. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (I2) in mehreren Reihen hintereinander angeordnet sind.
I2. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (I2) der hinteren Reihen mit denjenigen der vorderen Reihe in Richtung der Strömung fluchten.
I3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (I2) jeder hinteren Reihe auf Lücke mit den Flächen der vorhergehenden Reihe sitzen.
I4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis I2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (2, 2a) um ihre vordere Dreiecksehe (3) schwenkbar angeordnet sind, so daß die Höhe der Erhebung zwischen dem Wert Null und einem vorbestimmten Größtwert einstellbar ist.
I5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis I3 in Anwendung auf Flugzeuge, Fahrzeugrümpfe od. dgl. mit ausschwenkbaren Steuerflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerflächen (I4) an ihren vorderen, der Schwenkachse benachbarten Leitkanten in regelmäßigen Abständen Auszackungen von im wesentlichen dreieckiger Form haben, die bei neutraler Steuerlage durch feste Gegenzacken (I3) ausgefüllt sind.
I6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis I3, in Anwendung auf Flugzeugflügel, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Reihe von vorspringenden Flächen (I5) hinter der vorderen Staukante auf den Tragflächen (II) angebracht ist.
I7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis I5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (2, 2a) an den Querrudern angebracht sind.
I8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis I6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Reihe von vorspringenden Flächen (I2) längs der vorderen Staukante eines. Flugzeugtragflügels (II) angebracht ist.
I9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis I7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (2, 2a) an den Leitflächen angebracht sind.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis I8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (I5) vor den Landeklappen (I6) am Tragflügel (II) angebracht sind.
2I. Vorrichtung nach einem oder mehreren des- Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen (31) am Rumpf (eines Luft-, Land- oder Wasserflugzeuges angebracht sind.
22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Flächen an der Innenwand von Rohrleitungen angebracht sind, die von einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt werden.