EP0732513A1

EP0732513A1 - Verfahren zum aktiven Dämpfen globaler Strömungsoszillationen in abgelösten instabilen Strömungen und Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: EP0732513A1
Application number: EP95810167A
Authority: EP
Inventors: Samir Dr. Ziada; Hans-Rudolf Dr. Graf
Original assignee: Sulzer Innotec AG
Current assignee: Sulzer Markets and Technology AG
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 1996-09-18
Anticipated expiration: 2015-03-14
Also published as: JPH08261212A; DE59510549D1; US5798465A; EP0732513B1

Abstract

Das Verfahren zum Dämpfen globaler Strömungsoszillationen (20a.x, 20b.x) in einem strömenden Medium im Bereich einer sich von mindestens einer Grenzfläche (11, 12) ablösenden instabilen Strömung (10) besteht darin, die globalen Oszillationen mit einem Sensorsystem (13) zu erfassen und dem strömenden Medium eine mit den Signalen des Sensorssystems geregelte kompensatorische Oszillation (15, 16) in einer Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung (10) aufzugeprägen. Entsprechend enthält die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einen Generator (17, 18), der dem strömenden Medium eine kompensatorische Oszillation in einer Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung aufprägt, und ein Regelsystem (28, 29), das die Signale des Sensorsystems auswertet und die kompensatorischen Oszillation so regelt, dass die Amplitude einer vorgegebenen globalen Oszillation um einen vorgegebenen Faktor gedämpft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Dämpfen globaler Strömungsoszillationen in einem strömenden Medium im Bereich einer sich von mindestens einer Grenzfläche ablösenden instabilen Strömung und eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens.
Globale Strömungsoszillationen sind selbsterregte wirbelförmige Störungen, die periodisch in abgelösten instabilen Strömungen entstehen und strömungsabwärts propagieren. Eine abgelöste Strömung bezeichnet eine Strömung, die sich von mindestens einer sie begrenzenden Grenzfläche ablöst, d. h. bedingt durch die Form der Grenzfläche folgen die Strömungslinien ab einem sogenannten Ablösepunkt nicht mehr der Grenzfläche, sie verlaufen nicht mehr parallel zu dieser. Verbunden mit der Ablösung der Strömung ist häufig eine Neigung zu instabilem Verhalten, d. h. die Strömung hat nach der Ablösung zumindest eine instabile, einer Strömungslinie folgenden Schicht, die sich dadurch auszeichnet, dass eine kleine Auslenkung der Schicht strömungsabwärts durch Aufnahme von Energie aus der Strömung beständig verstärkt wird, bis nichtlineare Prozesse dieses Wachstum begrenzen. Als Folge der Nichtlinearitäten geht eine Störung schliesslich in einen Wirbel über. Nach diesem Szenario bilden sich die eingangs genannten Strömungsoszillationen aus kleinen Störungen einer instabilen Schicht in der Nähe eines Ablösepunktes. Eine bekannte hinreichende Bedingung für ein instabile Schicht ist beispielsweise ein Wendepunkt des Geschwindigkeitsprofils der Strömung längs einer Linie orthogonal zu den Strömungslinien. Solch eine instabile Schicht wird als Scherschicht bezeichnet. Strömungen mit mehreren Ablösepunkten können mehrere instabile Schichten haben, die, jede für sich eine Quelle für Wirbel bildend, kollektiv zu einer gemeinsamen 'globalen' Strömungsoszillationen zusammenwirken.
Charakteristisch für diese Strömungsoszillationen ist, dass Wirbel aufgrund eines Selbsterregungsmechanismus periodisch entstehen und sie eine Quelle für akustische Wellen mit der Frequenz, die der Generationsrate der Wirbel entspricht, darstellen. Wegen dieser akustischen Abstrahlung sind diese globalen Strömungsoszillationen in technischen Strömungssystemen unerwünscht, nicht nur, weil sie meist im niederfrequenten Bereich < 10 kHz auftreten und deshalb im Sinne einer Lärmbelästigung störend sind, sondern weil sie in speziellen Konfigurationen derart intensiv werden können, dass sie z. B. zu Materialermüdung in dem Schall ausgesetzten Festkörpern führen können. Solch eine Materialermüdung in Strömungssystemen kann schwerwiegende Folgen haben, wird sie nicht von Grund auf vermieden oder wird ihr nicht frühzeitig durch routinemässige Inspektion und Reparatur abgeholfen. Dampf- und Kühlwasserleitungen in Kraftwerken oder gassumströmte Flugkörper wie Flugzeuge sind nur zwei Beispiele, wo globale Strömungsoszillationen auftreten können und möglicherweise durch sie die Betriebssicherheit wegen Materialermüdung gefährdet wird.
Nicht immer ist es auch bei Verwendung aller Kenntnisse über die Voraussetzungen für das Auftreten von globalen Strömungsoszillationen möglich, ein Strömungssystem so auszulegen, dass globale Strömungsoszillationen vermieden werden. Für diese Fälle besteht ein Interesse an aktiven Regelungsmethoden, die es erlauben, vorhandene Strömungsoszillationen mittels geeigneter kompensatorischer Rückkopplung gezielt zu dämpfen.
Ein Verfahren zum aktiven Dämpfen globaler Strömungsoszillationen mittels Rückkopplung ist bereits bekannt. Der Artikel 'On the active control of shear layer oscillations across a cavity in the presence of pipeline acoustic resonance' von X. Y. Huang et al., Journal of Fluids and Structures 5, 207-219 (1991), beschreibt ein Verfahren zur aktiven Dämpfung von globalen Strömungsoszillationen in einem Strömungssystem für Luft, bei dem ein Teil der die strömende Luft einschliessenden Wände als ein akustischer Resonator für die akustische Welle ausgebildet ist, die aufgrund globaler Strömungsoszillationen im Resonator generiert wird. In dem beschriebenen Verfahren zur aktiven Dämpfung der globalen Strömungsoszillationen wird eine kompensatorische Rückkopplung erzielt, indem die akustische Welle im Resonator kompensiert wird mit der in den Resonator eingekoppelten Schallabstrahlung eines Lautsprechers, wobei der Lautsprecher mit den geeignet frequenzgefilterten, verstärkten und phasenverschobenen Signalen eines Sensors, der die globalen Strömungsoszillationen erfasst, getrieben wird. Mittelbar wird mit der Kompensation der akustischen Welle auch die globale Strömungsoszillation gedämpft.
Diese Methode ist auf eine spezielle Situation zugeschnitten, nämlich auf das Vorhandensein eines akustischen Resonators, der in seiner Frequenz auf die von den globalen Strömungsoszillationen abgestrahlten akustischen Wellen abgestimmt ist und wegen der Wechselwirkung zwischen der abgelösten instabilen Strömung und der akustischen Welle für die Selbsterregung spezifischer globaler Strömungsoszillationen sorgt. Dieses Konzept ist daher vom Ansatz her nicht übertragbar auf Fälle, in denen globale Strömungsoszillationen angeregt werden durch völlig andere Selbsterregungsmechanismen. Beispielsweise ist bekannt, dass ein Hindernis, eingebracht in eine abgelöste instabile Strömung, das Auftreten von globalen Strömungsoszillationen verursachen kann, wobei spezifische Details der erzeugten Wirbel wie die Frequenz der abgestrahlten akustischen Welle oder die geometrische Anordnung zeitlich nacheinander entstandener Wirbel relativ zu einander von Einzelheiten wie z. B. der Form des Hindernisses und der Strömungsgeschwindigkeit und der Zähigkeit des strömenden Mediums abhängt. Eine akustische Resonanz ist in diesem Beispiel kein Auslöser für die Strömungsoszillation. Vielmehr wirken Fluktuationen in instabilen Schichten nach dem Auftreffen auf das Hindernis strömungsaufwärts auf die instabilen Schichten in der Nähe der Ablösepunkte zurück. Diese Rückwirkung sorgt für eine Selbstanregung von globalen Strömungsoszillationen, d. h. durch permanente Rückwirkung reproduzieren sich gleichartige Wirbel periodisch immer wieder.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum aktiven Dämpfen globaler Strömungsoszillationen, das

universell, d. h. unabhängig von spezifischen Anregungsmechanismen für die Strömungsoszillationen funktioniert und
möglichst effizient ist, d. h. möglichst wenig Leistung zum Dämpfen verbraucht,

Das erfindungsgemässe Verfahren wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 8 gekennzeichnet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee beruht auf der Vorstellung, dass im allgemeinen die globalen Oszillationen sich periodisch reproduzierende Störungen einer abgelösten instabilen Strömung sind, die aufgrund irgendeiner nicht näher spezifizierten Ursache in unmittelbarer Nähe des Ablösepunktes der Strömung erzeugt werden, und dass es eine Eigenschaft einer instabilen Strömung ist, diese Störungen gemessen an ihrer Ausdehnung und an der in ihnen gespeicherten Energie zu verstärken, bis nichtlineare Prozesse einer weiteren Verstärkung entgegenstehen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Dämpfen globaler Strömungsoszillationen in einem strömenden Medium im Bereich einer sich von mindestens einer Grenzfläche ablösenden instabilen Strömung besteht nun darin, die globalen Oszillationen mit einem Sensorsystem zu erfassen und dem strömenden Medium eine mit den Signalen des Sensorssystems geregelte kompensatorische Oszillation in einer Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung aufzugeprägen. Entsprechend enthält die erfindungsgemässe Vorrichtung einen Generator, der dem strömenden Medium eine kompensatorische Oszillation in einer Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung aufprägt, und ein Regelsystem, das die Signale des Sensorsystems auswertet und die kompensatorischen Oszillation so regelt, dass die Amplitude einer vorgegebenen globalen Oszillation um einen vorgegebenen Faktor gedämpft wird.
Unter Ablösezone wird hier ein an einem Ablösepunkt beginnender und sich strömungsabwärts erstreckender Bereich der instabilen Strömung verstanden, in dem eine Störung der Strömung strömungsabwärts verstärkt wird. Die kompensatorische Oszillation ist idealerweise eine direkte Beeinflussung der abgelösten instabilen Strömung dergestalt, dass eine in einem vorgegebenen Teil der Ablösezone vorhandene kleine Störung, die sich unbeeinflusst aufgrund der Verstärkerwirkung der instabilen Strömung vergrössern und in einen Wirbel fortentwickeln würde, exakt kompensiert wird. Naturgemäss kann sich bei exakter Kompensation der Störung vor ihrer Verstärkung kein ausgedehnter Wirbel entwickeln, da der Wirkung die Ursache genommen ist. Unter einer kompensatorischen Oszillation soll im folgenden allgemein eine direkte Beeinflussung der abgelösten instabilen Strömung verstanden werden dergestalt, dass eine in einem vorgegebenen Teil der Ablösezone vorhandene kleine Störung, die sich unbeeinflusst aufgrund der Verstärkerwirkung der instabilen Strömung vergrössern und in einen Wirbel fortentwickeln würde, in ihrer Amplitude reduziert wird. Dann ist die globale Strömungsoszillation aufgrund der kompensatorischen Oszillation im allgemeinen nicht perfekt unterdrückt, sondern nur in ihrer Intensität, gemessen an der von der Störung aufgenommenen Energie oder der Intensität der von der Strömungsoszillation ausgehenden akustischen Welle, gedämpft.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht folglich darin, mit Hilfe einer Erfassung einer vorhandenen globalen Strömungsoszillation mittels eines Sensorsystems approximativ für einen gegebenen Bereich der Ablösezone eine Störung zu ermitteln, die die beobachtete Strömungsoszillation ergeben würde, und diese der Strömung in dem gegebenen Bereich der Ablösezone gegenphasig und gegebenenfalls mit abgeschwächter Amplitude, d. h. mit kompensatorischer Wirkung für die vorhandenen Störungen, zu überlagern. Da die globalen Strömungsoszillationen einen periodischen Prozess darstellen, erlaubt die Erfassung einer Strömungsoszillation zu einem gegebenen Zeitpunkt die Bestimmung einer kompensatorischen Störung, die, phasengerecht der Strömung in einem vorgegeben Bereich der Ablösezone aufgeprägt, erst die nächste oder eine der folgenden Wirbelbildungen zu dämpfen vermag.
Da diese Überlegung zur Funktionsweise des erfindungsgemässen Verfahren nicht abhängt von einem speziellen Selbsterregungsmechanismus, ist dieses Verfahren universell anwendbar zur Dämpfung globaler Strömungsoszillationen. Seine Effizienz ist deshalb hoch, weil die zur Dämpfung einer Strömungsoszillation aufzubringende Energie nur der Energie entspricht, die benötigt wird, um in einem Teil der Ablösezone die zu kompensierende Störung zu erzeugen. Diese Energie ist aber klein gegenüber der Energie, die die ungedämpfte Strömungsoszillation repräsentiert, da die Strömungsoszillation aufgrund des beschriebenen Verstärkungsmechanismus Energie aus der Strömung aufnimmt. Die hohe Effizienz des erfindungsgemässen Verfahrens resultiert auf der Beeinflussung einer instabilen Strömung an ihrer empfindlichsten Region, dort wo die Strömung, strömungsabwärts betrachtet, instabil wird und der Verstärkungsmechanismus zu wirken beginnt.
Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Anwendung im Detail erläutert anhand der folgenden schematischen Figuren. Es zeigen:

FIG. 1A: eine Konfiguration für abgelöste instabile Strömung ohne globale Strömungsoszillation;
FIG. 1B: eine Konfiguration für abgelöste instabile Strömung mit schwach ausgeprägter globaler Strömungsoszillation;
FIG. 1C: eine Konfiguration für abgelöste instabile Strömung mit ausgeprägter antisymmetrischer globaler Strömungsoszillation;
FIG. 1D: eine Konfiguration für abgelöste instabile Strömung mit ausgeprägter symmetrischer globaler Strömungsoszillation;
FIG. 1E-F: Frequenzspektren der Signale eines Sensors zur Erfassung der Strömungsoszillationen der Konfigurationen in FIG. 1A-D;
FIG. 2: eine Anordnung zur aktiven Dämpfung von globalen Strömungsoszillationen mittels Rückkopplung: Querströmung als kompensatorische Oszillation;
FIG. 3: eine Anordnung zur Erzeugung einer kompensatorischen Oszillation: Oszillation eines Ablösepunktes;
FIG. 4A-H: Frequenzspektren von Sensorsignalen zur Erfassung von Strömungsoszillationen für verschiedene in der Ablösezone aufgeprägte kompensatorische Oszillationen;
FIG. 5A-C: Frequenzspektren von Sensorsignalen zur Erfassung von Strömungsoszillationen für schmalbandig phasenangepasste kompensatorische Rückkopplung;
FIG. 5D-F: Frequenzspektren von Sensorsignalen zur Erfassung von Strömungsoszillationen für breitbandig phasenangepasste kompensatorische Rückkopplung;
FIG. 6A-B: Sensorsignale zur Erfassung von Strömungsoszillationen als Funktion der Zeit beim An- und Abschalten der aktiven Dämpfung.
FIG. 7: Anordnung zur aktiven Dämpfung von Strömungsoszillationen an einem akustischen Resonator mit einer Öffnung, die einer Strömung längs einer Grenzfläche zugewandt ist.

FIG. 1 zeigt Beispiele für Strömungssysteme, die verschiedene globale Strömungsoszillationen ausbilden können, und für jedes Strömungssystem das zugehörige Frequenzspektrum der Signale P eines Drucksensors 13, der dazu bestimmt ist, an einem Punkt im Bereich einer abgelösten instabilen Strömung globale Strömungsoszillationen zu erfassen, ohne die Strömung selbst wesentlich zu beeinflussen. Diese Beispiele dienen als Ausgangspunkt für eine Beschreibung der Funktionsweise des erfindungsgemässen Verfahrens und zur Beschreibung von Ausführungsformen von Vorrichtungen zu dessen Anwendung.
Die FIG. 1A-D zeigt 4 Strömungssysteme, die jeweils die gleiche Quelle für eine abgelöste instabile Strömung 10 aufweisen, einen Schlitz 9 der Breite h, den ein beliebiges strömendes Medium, z. B. eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gas-Flüssigkeitsgemisch, mit der Dichte ρ der Strömungsgeschwindigkeit V durchquert. Die Strömungssysteme sind jeweils im Querschnitt senkrecht durch den Schlitz 9 gezeigt, d. h. der Schlitz 9 wird definiert durch zwei Begrenzungselemente 9a, 9b senkrecht zur Papierebene. Es ist ferner angenommen, dass die Schlitzbreite h sehr klein ist gegenüber der Höhe des Schlitzes und dass die dargestellten Querschnitte im mittleren Bereich des Schlitzes angesiedelt sind, wo die Strömungsverhältnisse in der vertikalen Richtung als invariant angesehen werden können. In der 2-dimensionalen Darstellung in den FIG. 1A-D löst sich die Strömung an 2 Ablösepunkten 11 und 12 von zwei sie begrenzenden Grenzflächen des Schlitzes 9 ab. Nach der Ablösung bewegt sich die Strömung, sofern kein Hindernis im Wege steht (FIG. 1A), frei von weiteren richtungsbestimmenden Grenzflächen und ist bei ihrer Propagation nur durch innere Reibung, beschrieben durch die kinematische Zähigkeit ν, limitiert. Es sei vorausgesetzt, dass bei dieser freien Propagation keine Selbsterregungsmechanismen für globale Strömungsoszillationen realisiert seien (z. B. eine akustische Resonanz). Das Frequenzspektrum des Drucksensors 13 weist dann nur auf eine schwache, breitbandige Fluktuation in der Nähe der Frequenz f=0 hin (Kurve a in FIG. 1E). Eine Bedingung für die Selbsterregung von Strömungsoszillationen ist gegeben, wenn strömungsabwärts nach erfolgter Ablösung ein Hindernis den weiteren Verlauf der Strömung beeinflusst wie in den Anordnungen in FIG. 1B-D. Charakteristisch für diese Fälle sind eine Anhebung des Niveaus der breitbandigen Fluktuation in der Nähe der Frequenz f=0 und das Auftreten von schmalbandigen Maxima bei höheren Frequenzen. Die schmalbandigen Maxima repräsentieren Druckpulsationen, deren Amplituden ein Mass für die Intensitäten der globalen Strömungsoszillationen sind. Offensichtlich hängen die Frequenzen f und die Intensität der Strömungsoszillationen ausser von der Strömungsgeschwindigkeit V von der geometrischen Anordnung des Hindernisses in Bezug auf den Schlitz 9 ab (FIG. 1B: Spalt 7; FIG. 1C: Keil 14; FIG. 1D: Spalt 8 mit Seitenwänden). Eine weitere Eigenschaft der Strömungsoszillationen, die für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens relevant ist, aber nicht den Frequenzspektren eines Drucksensor entnommen werden kann, ist die räumliche Anordnung der nacheinander erzeugten Wirbel, betrachtet zu einem gegebenen Zeitpunkt. Zu einem gegebenen Zeitpunkt können die unter verschiedenen Bedingungen generierten Wirbel eine unterschiedliche räumliche Geometrie aufweisen. Die in FIG. 1 gezeigten Strömungssysteme haben z. B. 2 Ablösepunkte, von denen jeder den Randpunkt einer sich strömungsabwärts erstreckenden instabilen Schicht bilden. Die in den beiden instabilen Schichten separat generierten, aber zu einer gemeinsamen Strömungsoszillation beitragenden Wirbel können sich ausser in ihrem Drehsinn noch unterscheiden durch die Zeitdifferenz zwischen der Erzeugung eines Wirbels in der einen instabilen Schicht und der Erzeugung des nächsten Wirbels in der anderen instabilen Schicht, wobei diese Zeitdifferenz einen unterschiedlichen Abstand der beiden Wirbel von den Ablösepunkten 11 und 12 am Schlitz 9 bedeuten. In den beiden Schichten können Wirbel mehr oder weniger gleichzeitig (symmetrische Moden, z. B. Wirbel 6a, 6b in FIG. 1D) oder gegenphasig, d. h. in gleichen Zeitabständen abwechselnd entweder am Ablösepunkt 11 oder am Ablösepunkt 12 (antisymmetrische Moden, z. B. Wirbel 5a, 5b in FIG. 1C) entstehen, wobei die perfekt symmetrischen oder perfekt antisymmetrischen Strömungsoszillationen gewöhnlich die grösste Intensität haben. Diese zeitlichen Abläufe müssen bei einer phasengerechten Synthese einer kompensatorischen Oszillation zur Dämpfung der globalen Strömungsoszillation berücksichtigt werden.
Unter Berücksichtigung der genannten Grundeigenschaften der globalen Strömungsoszillationen soll nun anhand eines der in FIG. 1 aufgeführten Strömungssysteme das erfindungsgemässe Verfahren zur Dämpfung der Strömungsoszillationen und bevorzugte Vorrichtungen zu dessen Anwendung erläutert werden. Als Beispiel dient das System in FIG. 1C, bestehend aus Schlitz 9 als Ursprung einer abgelösten instabilen Strömung und Keil 14 als Hindernis. Diese spezielle Auswahl bedeutet keine Einschränkung der Allgemeinheit, da das Verfahren generell so angelegt ist, dass es unabhängig von den Mechanismen, die zur Anregung spezifischer Strömungsoszillationen führen, funktioniert.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht aus den folgenden drei Verfahrensschritten:

Erfassung der globalen Strömungsoszillationen mit einem Sensorsystem;
Erzeugung einer kompensatorischen Oszillation in einer Ablösezone;
Aufbereitung der Sensorsignale und Regelung der kompensatorischen Oszillation.

Eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens zeigt FIG. 2.

I. Erfassung der globalen Strömungsoszillationen mit einem Sensorsystem

In FIG. 2 liegt das die Strömungsoszillation hervorrufende Hindernis, der Keil 14, symmetrisch zur Mittelsenkrechten des Schlitzes 9, der x-Achse. In diesem Beispiel ist die globale Oszillation ausgezeichnet durch Wirbel 20a.1, 20a.2,... und Wirbel 20b.x (x=1, 2,...), die jeweils um eine halbe Periode der Strömungsoszillation zeitlich versetzt entweder am Ablösepunkt 11 (y<0) oder am Ablösepunkt 12 (y>0) der abgelösten instabilen Strömung entstehen und sich, sich entgegengesetzt drehend, in x-Richtung fortbewegen. Das ist ein Beispiel für eine antisymmetrische Strömungsoszillation. Die wesentlichen Parameter, die im Hinblick auf die aktive Dämpfung der Strömungsoszillation erfasst werden, sind ihre Frequenz und ein Mass für ihre Intensität. Ferner ist nutzbringend eine Information über die Phasenlage der verschiedenen Wirbelzüge 20a.x und 20b.x (x=1, 2, ...). Letztere Phaseninformation ist allerdings nicht absolut notwendig zur Ausführung des Verfahrens.
Bevorzugte Sensoren zur Erfassung der Frequenz und der Intensität der Strömungsoszillation sind ein Drucksensor oder ein Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit. Bevorzugte Positionen für solche Sensoren sind Punkte im strömenden Medium, an denen einerseits der Sensor selbst die Strömung nur wenig beeinflusst und nicht selbst zum Auslöser von Strömungsoszillationen wird. Andererseits sind zur Optimierung der Sensorempfindlichkeit Punkte im Einflussbereich der Wirbel mit der grössten Ausdehnung bzw. Punkte in der Nähe des die Strömungsoszillation verursachenden Hindernisses vorteilhaft. Der Sensor kann auch im Hindernis eingebaut sein.
Ein alternativer Sensor zur Erfassung der Frequenz und der Intensität der Strömungsoszillation ist ein Kraftsensor, der die Kraft detektiert, die die Strömung auf das Hindernis 14 ausübt.
Geeignete Sensoren sind kommerziell verfügbar: als Drucksensor eignet sich beispielsweise ein Mikrofon, als Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ein Hitzdrahtinstrument, als Kraftsensoren Dehnungsmessstreifen oder piezoeletrische oder piezoresistive Sensoren.

II. Erzeugung einer kompensatorischen Oszillation

FIG. 2 zeigt eine Möglichkeit für einen Generator für eine kompensatorische Oszillation in einer Ablösezone: ein kompensatorisches Strömungsfeld im Bereich der Ablösezone. Das kompensatorische Strömungsfeld entspricht einer akustischen Welle und beeinflusst die abgelöste instabile Strömung 10 unmittelbar nach der Ablösung der Strömung. Es ist idealerweise so angelegt, dass Störungen instabiler Schichten durch die mit dem kompensatorischen Strömungsfeld verbundenen Druckgradienten exakt kompensiert werden. In der Anordnung in FIG. 2 wird ein kompensatorischen Strömungsfeld approximativ zusammengesetzt mit Hilfe zweier Erregungsquellen 17 und 18, die jeweils eine Querströmung 15, 16 quer zur abgelösten Strömung 10 und längs zweier Grenzflächen 17a und 18a erzeugen, wobei die Querströmungen unabhängig voneinander in ihren Strömungsgeschwindigkeiten steuerbar sind. Die Querströmungen sind in FIG. 2 durch doppelseitige Pfeile neben den Ablösepunkten 11 und 12 angedeutet. Die Austrittsöffnungen für die Querströmungen sind so plaziert, dass jedem Ablösepunkt 11 und 12 eine Austrittsöffnung möglichst nahe kommt, ohne dass die Austrittsöffnung selbst die Strömung wesentlich beeinflusst. Wegen der Nähe der Austrittsöffnungen zu den Ablösepunkten ist die aufzuwendende Leistung für die Erzeugung der kompensatorischen Oszillation besonders gering. Die unabhängige Ansteuerbarkeit beider Erregungsquellen erlaubt es, ein Strömungsfeld zu überlagern, das bezüglich der Amplitude und der Phase längs zweier Linien steuerbar ist. Die x-Position der Grenzflächen 17a und 18a bestimmt die Breite des kompensatorischen Strömungsfeldes. Erfindungsgemäss ist es hinreichend, die Ausdehnung des kompensatorischen Strömungsfeldes auf die Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung oder sogar einen Teilbereich der Ablösezone zu beschränken.
Als Erregungsquellen 17, 18 für das kompensatorische Strömungsfeld kommen angetriebene mechanische Schwingungssysteme, z. B. ein Lautsprecher, in Frage, die ein Teil des strömenden Mediums in Richtung auf die Grenzflächen 17a und 18a bewegen. Die Grenzflächen 17a und 18a erzwingen dann zu ihnen parallel verlaufende Strömungen 15 und 16, die aus den Austrittsöffnungen zwischen den Grenzflächen 17a, 18a und den Ablösepunkten 11 und 12 austreten.
Dieses Konzept des kompensatorischen Strömungsfeldes lässt sich verallgemeinern. Einerseits muss das Strömungsfeld nicht so angelegt sein, dass es eine Strömung senkrecht zu den instabilen Schichten der abgelösten instabilen Strömung darstellt. Es genügt für die Stabilisierung einer instabilen Schicht, dass mit dem kompensatorischen Strömungsfeld eine hinreichende Komponente des Druckgradienten senkrecht zur instabilen Schicht verbunden ist. Im Beispiel gemäss FIG. 2 ist die Auslegung des kompensatorischen Strömungsfeldes als Querströmung nicht die einzig mögliche Lösung; die Richtungsvorgabe quer zur Strömung bewirkt im betrachteten Beispiel lediglich eine besonders effiziente Beeinflussung der instabilen Schichten, die zumindest in der Nähe der Ablösepunkte 11 und 12 annähernd senkrecht zur Strömung 10 durch Schlitz 9 verlaufen. Eine zweite Verallgemeinerung des Konzeptes des kompensatorischen Strömungsfeldes ist, ausgehend vom Beispiel in FIG. 2, bezüglich der bevorzugten Zahl der Erregungsquellen, die zu seiner Erzeugung nötig sind, anzubringen. Im Beispiel in FIG. 2 sind 2 Erregungsquellen vorgesehen, weil es zwei sich strömungsabwärts erstreckende instabile Schichten, ausgehend von den Ablösepunkten 11 und 12, gibt und beide Schichten zur Kompensation der auftretenden antisymmetrischen globalen Strömungsoszillationen gegenphasig beeinflusst werden müssen. Die Situation wäre anders, wäre für andere Rückkopplungsverhältnisse (z. B. andere Geometrie des Hindernisses) eine symmetrische Strömungsoszillation zu dämpfen. In diesem Fall müssen die zwei Lautsprecher in Phase betrieben werden. Sowohl für symmetrische als auch antisymmetrische Strömungsoszillationen kann eine einzelne Erregungsquelle zur Erzeugung der kompensatorischen Oszillation ausreichen, um eine Dämpfung der Strömungsoszillation zu erzielen. Die maximal erreichbare Dämpfung ist in diesem Fall meist geringer. Naturgemäss hat man im Prinzip bei einer weiteren Erhöhung der Zahl der Erregungsquellen noch mehr Freiheitsgrade (Amplitude und Phase) zur Verfügung, um die Dämpfung der Strömungsoszillationen zu optimieren.
Eine effiziente Alternative zu dieser akustischen Methode zur Erzeugung einer kompensatorischen Oszillation zeigt FIG. 3. In diesem Beispiel wird die Stabilisierung einer instabilen Schicht erzielt durch eine Oszillation des entsprechenden Ablösepunktes. Diese Oszillation kann bewirkt werden durch eine mechanische Bewegung eines Elementes der Grenzfläche, von dem sich die instabile Strömung ablöst. Im Beispiel in FIG. 3 befinden sich je ein Ablösepunkt 11 und 12 der abgelösten instabilen Strömung 10 an einem Endpunkt der Begrenzungselemente 34 und 35, die ihrerseits um die Punkte 36 und 37 mittels konventioneller steuerbarer Stellglieder (nicht dargestellt) gekippt werden können. Solch eine Verkippung führt zu einer Verschiebung der Ablösepunkte senkrecht zu den Begrenzungselementen und somit zu einer seitlichen Auslenkung einer instabilen Schicht quer zur Strömung. Diese Auslenkung ist mittels der Signale des Sensorsystems so zu steuern, dass eine Störung der instabilen Schicht in der Nähe eines Ablösepunktes kompensiert wird.
Die Beispiele in FIG. 2 und 3 beziehen sich auf 2-dimensionale Strömungsprofile, die bezüglich einer dritten orthogonalen Richtung invariant sind, so dass instabile Schichten stets als Ebenen zu betrachten sind. Beide Beispiele lassen sich jedoch auf den 3-dimensinalen Fall mit gekrümmten instabilen Schichten verallgemeinern. Notfalls müssen einzelne Segmente der gekrümmten instabilen Schichten unabhängig voneinander stabilisiert werden.

III. Aufbereitung der Sensorsignale und Regelung der kompensatorischen Oszillation

Im folgenden wird davon ausgegangen, dass alle regelbaren Parameter zur Festlegung der kompensatorischen Oszillation, z. B. die Amplituden und Phasen der Erregungsquellen zur Erzeugung eines kompensatorischen Strömungsfeldes oder die Oszillation von Ablösungspunkten bezüglich Amplitude und Phase, mittels konventioneller Kontrollsystemen eingestellt werden können und dass alle einzustellenden Amplituden und Phasen geregelt werden mittels Signalen, die durch die im folgenden beschriebene Aufbereitung aus den oben (I) diskutierten Sensorsignalen gewonnen werden.
Als Beispiel dient das Strömungssystem in FIG. 2. Die Amplituden und Phasen der beiden Erregungsquellen 17, 18 werden kontrolliert durch ein Signal, das aus dem Signal des Sensors 13 hervorgeht durch Frequenzfilterung und/oder Verstärkung und/oder Phasenverschiebung. Die Signale des Sensors 13 werden einem Frequenzfilter 25 zugeleitet (24). Diese Frequenzfilterung ist optional und dient lediglich der Unterdrückung von Rauschen. Das frequenzgefilterte Signal wird über eine Leitung 27 einem Verstärkerelement 29 und von dort über die Leitung 31 der Erregungsquelle 18 zugeführt. Dieses Signal bestimmt Amplitude und Phase der Erregungsquelle 31. Entsprechend wird Amplitude und Phase der Erregungsquelle 17 abgeleitet aus dem vom Frequenzfilter 25 und dem Verstärkerelement 28 modifizierten und über die Verbindungsleitungen 26, 30 vermittelten Signal des Sensors 13. Die Funktion der Verstärkerelemente 28, 29 ist es, einerseits die zugeführten Signale zu verstärken um einen (im allgemeinen frequenzabhängigen) Faktor G_i und die Phase zu verschieben um einen (im allgemeinen frequenzabhängigen) Wert Φ_i (i: Index für Verstärkerelement).
Dieses Beispiel kann analog verallgemeinert werden auf Systeme mit beliebig vielen Erregungsquellen oder oszillierenden Ablösepunkten. Für den Antrieb jedes unabhängig steuerbaren Elementes, das einen Beitrag zu der kompensatorischen Oszillation in der Ablösezone leistet, ist ein Verstärkerelement wie die Elemente 28, 29 und entsprechende Verbindungen zur Signalübermittlung vorzusehen.
Zur vollständigen Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens genügt es, eine Vorschrift zur Wahl geeigneter Verstärkungen G_i und Phasen Φ_i für die einzelnen Verstärkerelemente anzugeben. Es genügt, das Beispiel in FIG. 2 mit 2 Verstärkerelementen zu behandeln. Weitere Verstärkerelemente können durch Anwendung der gleichen Vorschriften eingerichtet werden.
Das System in FIG. 2 zeigt eine antisymmetrischen Strömungsoszillation. Da die Wirbel, die von den beiden Ablösepunkten ausgehen, gegenphasig mit gleicher Intensität erzeugt werden, ist es naheliegend, für beide Verstärkerelemente die gleiche gegenphasige Verstärkung anzusetzen, d. h. $G=G1=G2$
und $Φ_{1} {- Φ}_{2} = ±π$
, und G und Φ₁ so zu wählen, dass die Strömungsoszillation um einen vorgegebenen Faktor gedämpft wird.
Die FIG. 4A-H zeigen für eine Anordnung gemäss FIG. 2 das Frequenzspektrum des Signals des Sensors 13 mit eingeschalteter kompensatorischer Oszillation für verschiedene Verstärkungen G und verschiedene Frequenzfilter 25, einen Bandpassfilter mit maximaler Durchlässigkeit bei der Frequenz der Strömungsoszillation (FIG. 4A-D) und einen Hochpassfilter (FIG. 4E-H). Φ₁ ist in allen Fällen so gewählt, dass die für Verstärkung G=0 vorhandene globale Strömungsoszillation (in diesem Beispiel bei f= 100 Hz) mit wachsender Verstärkung optimal gedämpft wird. Wie die FIG. 4A-H zeigen, wird die anfänglich vorhandene Mode bei 100 Hz für beide Filtertypen mit wachsender Verstärkung gedämpft und verschwindet für G≧1.3. Für grössere Verstärkungen findet eine Destabilisierung statt: Die Strömungsoszillation bei 100 Hz bleibt unterdrückt, dafür treten Strömungsoszillationen bei anderen Frequenzen auf, deren genauer Wert von der Wahl der Frequenzcharakteristik des Frequenzfilters 25 abhängt. In diesem Fall ist das von den Erregungsquellen 17, 18 erzeugte Strömungsfeld kompensatorisch nur in einem begrenzten Spektralbereich; ausserhalb dieses Spektralbereiches können sogar oberhalb einer systemspezifischen Grenze für die Verstärkung globale Strömungsoszillationen angeregt werden, deren Instensität mit der Verstärkung G wächst.
Dieses Beispiel ist speziell auf eine antisymmetrische Strömungsoszillation zugeschnitten. Im allgemeinen müssen in Eichmessungen die Phasen Φ_i unabhängig voneinander gewählt werden.
Die in FIG. 4 dokumentierte Destabilisierung für grössere Verstärkungen ist charakteristisch für Verstärkerelemente 29 und 28, bei denen die Phasen Φ_i nicht über den gesamten für die Verstärkung wirksamen Frequenzbereich kontrolliert einstellen kann. In diesem Fall sind die Phasen Φ_i im allgemeinen nur so justierbar, dass die Rückkopplung der Signale des Sensors 13 auf die abgelöste instabile Strömung nur innerhalb eines begrenzten Frequenzbereiches dämpfend für globale Strömungsoszillationen wirken. Ausserhalb dieses Frequenzbereiches wirkt die Rückkopplung verstärkend für Strömungsoszillationen. Diese werden dominant, wenn die Rückkopplung hinreichend stark ist, um die ohne Rückkopplung der Signale des Sensors 13 vorhandene Strömungsoszillation im Vergleich zu den verstärkten Strömungsoszillation hinreichend zu unterdrücken. Folglich hat bei dieser Art, eine kompensatorische Rückkopplung zu erzeugen, die über alle Frequenzen integrierte Intensität von globalen Strömungsoszillationen ein Minimum für bestimmte Werte für G_i >0.
Dass sich diese Art Rückkopplung nur innerhalb einer endlichen Frequenzbandbreite dämpfend für globale Strömungsoszillationen auswirkt, ist limitierend in Strömungssystemen, in denen sich die Strömungsgeschwindigkeit V ändert. Da sich mit einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit V auch die Frequenz der globalen Strömungsoszillation ändert, ist die Dämpfung der Strömungsoszillationen auch nur über einen endlichen Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten zu gewährleisten; bei zu grossen Abweichungen der Strömungsgeschwindigkeit wird die Rückkopplung instabil.
Den genannten Instabilitätsproblemen kann abgeholfen werden durch Anpassung der Verstärkung G_i und/oder der Phasen Φ_i über einen breiten Frequenzbereich. Mit Verstärkerelementen, für die der Frequenzgang von G_i und/oder Φ_i kontrolliert einstellbar ist, kann eine Optimierung der Dämpfung einer Strömungsoszillationen nach vorgegebenen Kriterien automatisiert werden. Mit konventionellen Suchstrategien können z. B. ausgehend von G_i=0 alle Parameter von G_i und/oder Φ_i ( z. B. maximale Werte, Frequenzverlauf) für einen vorgegebenen Frequenzbereich so gewählt werden, dass die Intensität der Strömungsoszillation minimal wird oder einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Zur Kontrolle der Optimierung dient ein Frequenzanalysator für die Sensorsignale. Zur Durchführung dieser Optimierung sind kommerziell verfügbare Verstärkerelemente geeignet. Es sind z. B. adaptive Verstärkerelemente bekannt, bei denen automatisch Verstärkung und Phase über einen vorgegebenen Frequenzbereich so verändert werden, dass ein vorgegebenes Fehlersignal minimal wird. Mit dem Signal des Sensors 13 als Fehlersignal und als zu verstärkendes Signal kann solch ein adaptives Verstärkerelement zur automatischen, dynamischen Optimierung der Dämpfung von Strömungsoszillationen benutzt werden.
Die Verbesserung der Stabilität des Regelkreises zur Erzeugung der kompensatorischen Oszillation bei Verwendung von adaptiven Verstärkerelementen im Vergleich zu konventionellen Verstärkerelementen ohne Anpassung des Frequenzganges der Verstärkung und der Phase demonstrieren die FIG. 5A-F. FIG. 5A-F zeigen experimentelle Ergebnisse für eine Anordnung gemäss FIG. 2. Verglichen werden Frequenzspektren der Signale des Sensors 13 (mit willkürlichem Nullpunkt) für ungedämpfte (gestrichelte Linien) und unter verschiedenen Bedingungen durch kompensatorische Rückkopplung gedämpfte (durchgezogene Linien) Strömungsoszillationen. In den Fällen der FIG. 5A-C wurden konventionelle Verstärkerelemente 28, 29, in den Fällen der FIG. 5D-F über den Frequenzbereich 0-500 Hz adaptive Verstärkerelemente 28, 29 verwendet. Verschiedene Figuren repräsentieren verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten V, gemessen durch die Reynolds-Zahl $Re=Vh/ν$
(h: Breite der Strömung an den Ablösepunkten 11, 12; ν: kinematische Zähigkeit ): 1) Re= 3.9 10⁴ (FIG. 5A, D); 2) Re= 6.7 10⁴ (FIG. 5B, E); 3) Re= 7.9 10⁴ (FIG. 5C, F). Die Strömungsoszillationen werden repräsentiert durch spitze Maxima über einem Rauschuntergrund, wobei ein dominantes Maximum je nach Strömungsgeschwindigkeit zwischen 50 und 150 Hz liegt. Offensichtlich führen adaptive Verstärkerelemente zu einem breitbandigen Dämpfen von Strömungsoszillationen für alle Strömungsgeschwindigkeiten, während im Falle der konventionellen Verstärkerelemente wegen der erwähnten Instabilitäten der Rückkopplung Strömungsoszillationen im Bereich oberhalb 150 Hz und in der Nachbarschaft der ohne Rückkopplung dominierenden Strömungsoszillation im Bereich 50-100 Hz angeregt werden. Abgesehen von der verbesserten Stabilität ermöglichen die adaptiven Verstärkerelemente eine stärkere Dämpfung der Strömungsoszillationen um mehr als 30 dB und eine zusätzliche Dämpfung des niederfrequenten Rauschens für Frequenzen unterhalb der Frequenzen der Strömungsoszillationen.
Eine für die Effizienz des erfindungsgemässen Verfahrens aufschlussreiche Eigenschaft zeigt FIG. 6A-B, welche den Verlauf der Signale des Sensors 13 (in willkürlichen Einheiten) als Funktion der Zeit t beim Anschalten (FIG. 6A) und Abschalten (FIG. 6B) der Dämpfung unter Verwendung adaptiver Verstärkerelemente darstellt. Nach FIG. 6A findet beim Anschalten der Dämpfung innerhalb weniger Zyklen mit der Frequenz der globalen Strömungsoszillation ein Übergang statt von einem starken, periodischen Sensorsignal, entsprechend der Intensität der ungedämpften Strömungsoszillation, zu einem schwachen Rauschsignal. Umgekehrt entwickelt sich beim Abschalten der Rückkopplung der Sensorsignale aus dem schwachen Rauschsignal innerhalb weniger Zyklen mit der Frequenz der Strömungsoszillation das starke, periodische Signal der ungedämpften Strömungsoszillation zurück (FIG. 6B). Da die zur Dämpfung der Strömungsoszillation benötigte kompensatorische Oszillation durch Verstärkung aus dem Signal des Sensors 13 abgeleitet ist, ist auch die zur Dämpfung der Strömungsoszillation benötigte Leistung nicht konstant: Sie sinkt während weniger Perioden der Strömungsoszillation von einem Maximalwert am Beginn der Dämpfung ab auf eine minimale Leistung, die gerade benötigt wird, um eine neue Selbsterregung einer Strömungsoszillation zu verhindern (FIG. 6A). Dieser Effekt verbessert die Effizienz des erfindungsgemässen Verfahrens noch zusätzlich im Vergleich zu der bereits oben diskutierten Besonderheit, dass nur ein minimaler Bruchteil einer abgelösten instabilen Strömung unter Verbrauch von Leistung stabilisiert werden muss, um eine globale Strömungsoszillation und deren akustischen Begleiterscheinungen zu dämpfen.
FIG. 7 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens in einem System mit einer abgelösten instabilen Strömung, in der globale Strömungsoszillationen nicht oder nicht ausschliesslich durch Hindernisse in der Strömung, sondern unter Mitwirkung von akustischen Resonanzen, die mit der abgelösten instabilen Strömung wechselwirken, angeregt werden. Das Strömungssystem in FIG. 7 besteht aus einer Strömung 10 längs einer Grenzfläche mit einer Öffnung mit einer bezogen auf die Strömungsrichtung vorderen bzw. hinteren Begrenzung 11 bzw. 41. Angrenzend an die Grenzfläche auf der der Strömung abgewandten Seite befindet sich ein zur Öffnung 11, 41 hin offener, und ansonsten durch Grenzflächen abgeschlossener Raum 40. Wegen der Öffnung ist der Raum 40 für das strömende Medium zugänglich. Weiterhin können im Bereich der Öffnung die im Raum 40 eingeschlossenen Teile des strömenden Mediums mit dem längs der Grenzfläche bewegten Teil des strömenden Mediums wechselwirken. Wegen dieser Kopplung können die vom Raum 40 umgrenzten Teile des stromenden Mediums zu akustischen Schwingungen angeregt werden, für die der Raum 40 wie ein akustischer Resonator wirkt. Die Strömung 10 löst sich an der Begrenzung 11 von einer Grenzfläche ab. Die Begrenzung 11 hat deshalb für die Strömung 10 die Funktion eines Ablösepunktes mit einer angrenzenden Ablösezone und dient als Ausgangspunkt für die Erzeugung der Wirbel einer globalen Strömungsoszillation 60. Für die Selektion einer globalen Strömung sorgen in diesem Fall zwei Mechanismen:

die Rückwirkung der Strömung strömungsaufwärts, ausgelöst durch die Wechselwirkung der Strömung mit der Begrenzung 41 (Hindernis);
die Wechselwirkung einer vom Ablösepunkt 11 ausgehenden instabilen Schicht mit einer akustischen Resonanz des Raumes 40.

Das Strömungssystem in FIG. 7 ist ein Modellsystem, das in vielen technischen Anwendungen Entsprechungen findet. Flug- und Schwimmkörper (z. B. Flugzeuge, Raketen, Schiffe, Unterseeboote) und landgestützte Fahrzeuge wie z. B. Hochgeschwindigkeitszüge haben in ihrer Oberfläche oft Einbuchtungen, die bei schneller Fortbewegung zu Auslösern von globalen Strömungsoszillationen werden. Die Wirkung der Einbuchtungen als akustische Resonatoren führt zu besonders intensiven Strömungsoszillationen. Häufig sind solche Einbuchtungen vorgesehen als zweckmässiger Raum für die Unterbringung von Gegenständen, die normalerweise nicht direkt der Strömung ausgesetzt sein sollen, aber im Bedarfsfall mit dem strömenden Medium in Kontakt treten müssen, beispielsweise Sensoren und Messinstrumente in Flugzeugen, Waffen in Militärflugzeugen. Ein anderes Beispiel sind elektrisch getriebene Hochgeschwindigkeitszüge. Sie weisen meist in Einbuchtungen versenkbare Stromabnehmer auf, die im Fahrbetrieb Kontakt zu einer Stromleitung in der Nähe der Oberfläche des Zuges haben müssen und somit bei hoher Fahrtgeschwindigkeit einer verhältnismässig starken Strömung ausgesetzt sind. Solche Gegenstände können bei extremen Strömungsgeschwindigkeiten unakzeptablen Belastungen aufgrund der auftretenden Strömungsoszillationen bzw. der akustischen Resonanz der Einbuchtung ausgesetzt sein. Für solche Probleme ist die Anwendung eines aktiven Verfahrens zur Dämpfung von Strömungsoszillationen besonders vorteilhaft, da durch passive Massnahmen wie eine besondere Formgebung der Einbuchtung die Strömungsoszillationen meist nicht verhindert werden können.
Wie das erfindungsgemässe Verfahren in diesen Fällen vorteilhaft angewendet werden kann, zeigt das Modellsystem in FIG. 7. In der Ablösezone oder einem Teil davon wird eine kompensatorische Oszillation aufgeprägt, in diesem Beispiel eine von einem Lautsprecher 46 als Erregungsquelle generierte Querströmung 15 zwischen dem Ablösepunkt 11 und der Begrenzung 65. Zur Realisierung der für die aktive Dämpfung der Strömungsoszillationen benötigten Rückkopplung wird der Lautsprecher 46 angetrieben mit vom Regelsystem 44 geeignet frequenzgefilterten und/oder verstärkten und/oder phasenverschobenen Signalen eines Sensors 50 oder 42 zur Erfassung der Strömungsoszillationen. Bezüglich des Sensors ergeben sich im Vergleich zu den bisher diskutierten Beispielen Alternativen. Als Sensor eignet sich ein Sensor 50, der möglichst direkt die Geschwindigkeitsschwankungen oder die Druckpulsationen der generierten Wirbel 60 sondiert, z. B. einer der erwähnten Sensoren, angebracht in der Nähe der Begrenzung 41. Ferner eignet sich ein Sensor, der die mit der Strömungsoszillation 60 verbundene akustische Welle detektiert, z. B. ein Mikrofon 42 an der der Öffnung zwischen den Begrenzungen 11 und 41 gegenüberliegenden Seite des Raumes 40.
Es ist hervorzuheben, dass die akustische Abstrahlung des Lautsprechers 46 im wesentlichen in die Querströmung 15 umgesetzt wird und nicht dazu vorgesehen ist, die von der Strömungsoszillation 60 im Raum 40 angeregte akustische Schwingung zu kompensieren und so indirekt auch die Strömungsoszillation 60 zu unterdrücken. Ferner kann das Ausführungsbeispiel in FIG. 7 modifiziert werden entsprechend der verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten für die kompensatorische Oszillation, die Erfassung der globalen Strömungsoszillation, die Aufbereitung der Sensorsignale und der Regelung der kompensatorischen Oszillation entsprechend der Ausführungen in den Abschnitten I-III.

Claims

Verfahren zum Dämpfen globaler Strömungsoszillationen (20a.x, 20b.x, 5a-b, 6a-b, 60) in einem strömenden Medium im Bereich einer sich von mindestens einer Grenzfläche (11, 12) ablösenden instabilen Strömung (10), in welchem Verfahren die globalen Strömungsoszillationen mit einem Sensorsystem (13, 42, 50) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem strömenden Medium eine mit den Signalen des Sensorsystems geregelte (28, 29, 44) kompensatorische Oszillation (15, 16, 34, 35) in einer Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die globale Strömungsoszillation durch Messung des Druckes oder der Strömungsgeschwindigkeit an einem vorgegeben Punkt im strömenden Medium erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die globale Strömungsoszillation durch Beeinflussung der abgelösten instabilen Strömung durch ein Hindernis (7, 8, 14, 41) hervorgerufen und durch Messung der Kraft, die die Strömung auf das Hindernis ausübt, erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als kompensatorische Strömungsoszillation ein Strömungsfeld (17, 18, 46) in mindestens einer Ablösezone generiert wird und/oder eine Oszillation (34, 35) mindestens eines Ablösepunktes (11, 12) der abgelösten Strömung angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die globale Strömungsoszillation dadurch erfasst wird, dass die Signale des Sensorsystems (13, 42, 50) ausgewertet werden und mit Hilfe dieser Auswertung globale Strömungsoszillationen hinsichtlich ihrer Frequenz und/oder Intensität und/oder Phase charakterisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale des Sensorsystems durch Verstärkung (28, 29, 44) und/oder Frequenzfilterung (25) und/oder Phasenverschiebung (28, 29, 44) modifiziert werden und die so modifizierten Signale zur Erzeugung der kompensatorischen Oszillation verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung und die Phasenverschiebung mit adaptiven Verstärkerelementen über einen vorgegebenen Frequenzbereich nach vorgegebenen Regeln so angepasst werden, dass die Intensität der Strömungsoszillation einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die abgelöste instabile Strömung und/oder die globalen Strömungsoszillationen mit einer akustischen Welle wechselwirken.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Welle von einem akustischen Resonator (40) beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem die globale Strömungsoszillation mittels eines Sensors (42) erfasst, der die akustische Welle charakterisiert.
Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-10 auf globale Strömungsoszillationen (20a.x, 20b.x, 5a-b, 6a-b, 60) in einem strömenden Medium im Bereich einer sich von mindestens einer Grenzfläche (11, 12) ablösenden instabilen Strömung (10), welche Vorrichtung ein Sensorsystem (13, 42, 50) zur Erfassung der globalen Strömungsoszillationen enthält,
gekennzeichnet durch
• einen Generator (17, 18, 46), der dem strömenden Medium eine kompensatorische Oszillation (15, 16, 34, 35) in einer Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung aufprägt,

• ein Regelsystem (28, 29, 44), das die Signale des Sensorsystems (13, 42, 50) auswertet und die kompensatorische Oszillation so regelt, dass die Amplitude der globalen Strömungsoszillation um einen vorgegebenen Faktor gedämpft wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11 mit einem Hindernis (7, 8, 14, 41) in der abgelösten instabilen Strömung, welches die globalen Strömungsoszillationen verursacht.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem einen Sensor zur Messung der von der Strömung auf das Hindernis ausgeübten Kraft enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass
• die kompensatorische Oszillation ein Strömungsfeld (15,16) ist und der Generator mindestens eine Erregungsquelle (17, 18) für die Erzeugung des Strömungsfeld, enthält, oder dass

• die kompensatorische Oszillation eine Oszillation mindestens eines Ablösepunktes (11, 12) ist und zur Erregung der Oszillation der Ablösepunkte bewegliche Begrenzungselemente (34, 35) für die abgelöste Strömung, welche Begrenzungselemente die Position der Ablösepunkte (11, 12) definieren, vorgesehen sind, wobei der Generator eine Vorrichtung für die Erzeugung einer Bewegung der Begrenzungselemente enthält, welche Bewegung die Oszillation der Ablösepunkte bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem ein Frequenzfilter (25) und/oder einen Frequenzanalysator und/oder einen Verstärker (28, 29, 44) und/oder einen Phasenschieber (28, 29, 44) für die Verarbeitung der Signale des Sensorsystems enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, dass die abgelöste instabile Strömung an einer dem strömenden Medium abgewandten Einbuchtung (40) in einer Grenzfläche entsteht.
Flug- oder Schwimmkörper oder Fahrzeuge mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-16 zur Dämpfung einer globalen Strömungsoszillation an der Oberfläche.