WO2016184676A1 - Strömungssteuerungsvorrichtung, strömungsprofilkörper und strömungsbeeinflussungsverfahren mit schallwellenerzeugung - Google Patents

Strömungssteuerungsvorrichtung, strömungsprofilkörper und strömungsbeeinflussungsverfahren mit schallwellenerzeugung Download PDF

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sound wave
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Definitions

  • the invention relates to a flow control device for influencing a fluid flow at a flow-dynamic surface of a flow-dynamic profile body. Furthermore, the invention relates to a flow-dynamic profile body with a flow-dynamic surface which flows in and / or around a fluid flow during operation. Furthermore, the invention relates to a flow control method for influencing a flow at a fluid-dynamic surface of a fluid dynamic profile body. Furthermore, the invention relates to advantageous uses of novel flow influencing techniques on such fluid-dynamic surfaces. In particular, the invention relates to an actuator system for influencing flows to reduce or increase the flow resistance.
  • boundary layer which runs laminar over the entire surface at low Reynolds number, develops on aircraft surfaces as a result of the overflow of air.
  • boundary layer which runs laminar over the entire surface at low Reynolds number, develops on aircraft surfaces as a result of the overflow of air.
  • the transition from laminar to turbulent flow is also called transition in fluid mechanics.
  • This area (Turbulent Flow Boundary Layer) is characterized by strong vortex formation and chaotic flow behavior, resulting in a significantly higher flow resistance.
  • Riblets Similar to a shark skin, miniaturized webs / walls are applied on the surface (in the mm range), which are supposed to prevent a cross-flow of the flow, see eg [1 1]
  • Turbulator By applying a small surface perturbation, the laminar flow is deliberately transferred to a turbulent flow to delay stall (sudden decrease in lift), see e.g. [14], [16], [18]
  • Plasma Vortex Generator Electrodes attached to and under the surface can be used to create a plasma, which produces smaller air swirls on the surface; these have a direct influence on the boundary layer, see e.g. [12]
  • [22], [23] and [24] describe detectors or sensors for detecting shafts and / or parameters of a flow to be influenced.
  • the invention has for its object to provide an improved way of influencing the flow of fluid dynamic surfaces.
  • further advantageous uses of the flow influencing techniques used for this purpose are to be pointed out.
  • the invention provides a flow control device for influencing a fluid flow on a fluid-dynamic surface of a flow-dynamic profile body, comprising a sound wave generating device for generating a standing sound wave with locally defined shaft bellies and wave nodes and / or a locally defined focused sound pulse.
  • the sound wave generating device has at least one sound transducer for generating a primary sound wave having a propagation direction parallel with the surface and perpendicular to the flow with its main direction component, and a sound reflection device for reflecting back the primary sound wave to generate the standing sound wave.
  • the sound wave generating means comprises at least a first sound transducer for generating a first sound wave having a propagation direction parallel to the surface and perpendicular to the flow with its main direction component, and a second sound transducer for generating a second sound wave having a propagation direction opposite to the propagation direction of the first sound wave Sound wave is opposite, in order to produce by superposition of the first and second sound wave, the standing sound wave has.
  • the sound wave generation device is an array of sound transducers, which are arranged at regular intervals on the surface forming the surface and which are designed to generate the standing sound wave with locally defined wave crests and wave nodes and / or the locally focused sound pulse, having. It is preferred that the sound wave generation device has an arrangement of at least one sound transducer or a plurality of sound transducers and at least one acoustic lens. It is preferred that the sound wave generating device is designed to generate the standing sound wave such that wave nodes and wave bellies extend longitudinally along the flow direction.
  • the sound wave generating device is designed to generate the standing sound wave in such a way that in a transverse direction to the flow direction wave nodes and wave bellies alternate with each other.
  • the sound wave generating device is designed to generate the standing sound wave in such a way that locations of wave nodes and / or shaft bellies run in a straight line.
  • the sound wave generating device is designed to generate the standing sound wave in such a way that locations of wave nodes and / or bellies are tapered and / or triangular.
  • the sound wave generating device is designed to generate the standing sound wave in such a way that locations of wave nodes and / or bellies are wavy. It is preferred that the sound wave generating device is designed to generate the standing sound wave in such a way that locations of wave nodes and / or shaft bellies run parallel. It is preferred that the sound wave generating device is designed such that the sound wave is generated or changed as a function of parameters of the flow to be influenced.
  • the flow control device is designed to detect a property or a parameter of the flow to be influenced and to control the sound wave generating device as a function of the detected parameter.
  • the intensity - eg sound level - and / or the local distribution of the stationary sound wave is changed and adapted to the detected actual conditions.
  • one or more of the detectors known from [22], [23] and [24] are used.
  • sound transducers are not only used for generating sound, but also for detecting at least one property or parameter of the flow.
  • the sound transducers are e.g. connected to a controller and are supplied with a control energy - e.g. an electrical voltage - supplied to generate the sound waves. Conversely, most transducers are capable of producing corresponding pressure fluctuations in another type of energy - e.g. an electrical voltage - to transform.
  • the controller may be configured to receive signals corresponding to the sound transducer in the reception mode in order thus to draw conclusions about the flow conditions and, if appropriate, to control the sound transducer differently.
  • the invention provides a flow-dynamic profile body comprising a fluid-dynamic surface, which flows in and / or flows around during operation from a fluid flow, comprising one Sound wave generating device for generating a standing sound wave with locally defined on the surface of the bellies and wave nodes and / or a locally defined focused sound pulse.
  • the fluid-dynamic profile body preferably has a flow control device according to one or more of the embodiments described above.
  • the flow-dynamic profile body can be designed as:
  • Wing or tail body of an airplane or
  • Engine intake body of a vehicle or aircraft or rotor blades or propeller blades of an aircraft or windmill Further embodiments of the invention relate to the application of the here presented flow influencing techniques by standing acoustic waves and / or targeted focused sound waves to other vehicles, such as land vehicles or watercraft and also everywhere else, where an influence flow flowed around flow dynamic surfaces and bodies influencing -. Avoid or retard - a transition from laminar to turbulent flow is desired.
  • the invention relates to a Strömungs Kunststoffungsver- method for influencing a flow on a fluid dynamic surface of a fluid dynamic profile body, comprising: influencing the flow by means of locally defined on the surface generated sound waves - in particular in the flowing fluid medium.
  • a preferred embodiment of the method is characterized by a) generating at least one standing sound wave and / or b) focusing a sound pulse on a flow area to be influenced. It is preferred that step a) includes the step:
  • step a) includes the step:
  • step a) includes the step:
  • step a) includes the step:
  • step a) includes the step:
  • step a) includes the step:
  • Another preferred embodiment of the flow control method is characterized by preventing or delaying a transition of a laminar flow flow to a turbulent state by using a standing sound wave as an obstruction and / or guidance for flow flow and / or as a vortex generator.
  • a further preferred embodiment of the flow control method is characterized by varying the sound wave generation as a function of parameters of the flow to be influenced.
  • a further preferred embodiment of the flow control method is characterized by detecting at least one parameter of the flow to be influenced and generating the sound waves as a function of the detected parameter.
  • a further preferred embodiment of the flow control method is characterized by using at least one sound transducer for generating the sound wave and as a detector for detecting a property or a parameter of the flow to be influenced.
  • a further preferred embodiment of the flow control method is carried out by means of the flow control device according to one or more of the previously described embodiments.
  • a further preferred embodiment of the flow control method is carried out on a flow-dynamic profile body according to one or more of the embodiments explained above.
  • the invention relates to a use of a standing sound wave and / or a focused sound pulse in a fluid medium. for influencing a flow of the fluid medium on a fluid-dynamic surface.
  • the invention relates to a use of a standing sound wave and / or a focused sound pulse in a fluid medium to avoid ice formation on the fluid-dynamic surface.
  • Another invention which is based on the same idea of the use of standing sound waves and / or locally targeted focused sound waves in the surface of the flow dynamic profile body relates to an icing avoidance device for preventing ice formation on a flow around profile body, comprising a sound wave generating means for generating a stationary Sound wave with locally defined at the surface shaft tangs and wave nodes and / or a locally defined focused sound pulse.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a transition of a boundary layer on a fluid dynamic profile body from laminar to turbulent flow to illustrate one of the problems that can be solved by embodiments of the invention; the boundary layer is shown, laminar (left) and turbulent (right);
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a fluid-dynamic body with a first exemplary embodiment of a flow control device, which has a first embodiment of a sound wave generation device; shows a graph to illustrate the operation of the sound wave generating device and the thus provided Strömungssteu- réelles achieved; shows photographs of a visualization of standing sound waves, as may be used in embodiments of the flow control device for influencing a flow on a fluid-dynamic body; shows in the subfigures 5a to 5f six different further embodiments of the sound wave generating device using different arrays of acoustic transducers - also referred to as phased array transducer below;
  • FIG. 12 is a graph illustrating a generation of a standing sound wave by means of phased array transducers according to one of the illustrations shown in FIG. 5, a second embodiment of a fluid dynamic profile body having a second embodiment of a flow control device, the sound wave generating device of FIG. 5 and FIG Having type with phased array transducers; shows in the subfigures 8a, 8b and 8c possible embodiments of standing sound waves for flow control in a flow control device, for example, according to FIG. 7.
  • FIG. 1 shows an example of a flow-dynamic surface 10, which is flowed through by a flow 12 of a fluid medium 14, for example air.
  • the surface 10 is, for example, a surface of an airfoil 16 of a passenger aircraft 18 that moves through the air.
  • the air resistance plays an essential role. Due to the generally unavoidable friction on surfaces, a so-called boundary layer 20 is formed on aircraft surfaces as a result of the overflow of air, which runs laminar over the entire surface 10 at a low Reynolds number. At higher Reynolds number, the laminar flow 22 can not be fully maintained, causing them to collapse in the flow direction 24 and continue turbulently - turbulent flow 26.
  • the transition from laminar flow 22 to turbulent flow 26 is also referred to as transition in fluid mechanics and is in Fig. 1 as a transition region 28 shown.
  • the area of turbulent flow 26 is characterized by strong vortex formation and chaotic flow behavior, resulting in a significantly higher flow resistance. Below the turbulent flow 26 is a laminar lower layer 30.
  • riblets - are e.g. directed in the direction of flow 24, e.g. to understand rib-like obstacle structures - proved to be useful under certain conditions to avoid or delay the transition from laminar flow 22 to turbulent flow 24.
  • Such riblets are formed by glued and correspondingly stationary structures.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a flow-dynamic profile body 34, on which such a flow-dynamically effective surface 10, which is flowed through by a flow 12 of the fluid medium, is represented.
  • the profile body 34 is, for example, a support surface or a wing 16 of an aircraft 34, such as a passenger aircraft 18.
  • Further examples of the profile body 34 are tail, fuselage or engine parts, such as engine inlets of aircraft or propeller blades or rotor blades of aircraft such as aircraft or helicopters.
  • Another example of the profile body are rotor blades of wind turbines. See references [1], [2], [3], [20] and [21] for more details of such profile bodies.
  • the flow control device 32 has an acoustic wave generation device 36 by means of which a three-dimensional standing sound wave 38 can be generated in the fluid medium 14 in the boundary layer 20.
  • a standing sound wave 38 with shaft bellies 40 and wave nodes 42 forms, so to speak, "virtual riblets" 44, which act like physically present riblets.
  • FIG. 3 shows in subfigures 3a to 3d the superimposition of waves 46, 48 and a resulting standing wave 50, see [4] and see also Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Stehende_Welle.
  • a shaft 46 running to the right is superposed with a shaft 48 running to the left.
  • the waves move on again by 1/4 ⁇ , they are again in phase. This is followed again by constructive interference with a corresponding amplitude of the resulting wave, see FIG. 3d.
  • the standing maxima or minima thus result each time at the same point, whereby the standing wave 50 is formed, cf. Fig. 3b with Fig. 3d.
  • the sound wave generating device 36 is audible sound in the higher frequency range and especially ultrasound, with frequencies above the auditory frequency range of the human, sound generators or transducers (also called transducer), for. generated by the (inverse) piezoelectric effect.
  • a high-frequency alternating electric voltage excites a piezoelectric material such as a piezoelectric material.
  • Lead zirconate titanate (PZT) to vibrations, which cause pressure fluctuations in a compressible medium 14 such as air and consequently sound.
  • the standing wave 50 it is possible, for example, to levitate light particles in the acoustic levitation with ultrasound. Due to the alternating pressure differences arise small flows, which form eg circular and thus exert a force on smaller particles can. This so-called acoustic force can be used to capture particles accordingly, cf. Fig. 4, for further explanation and details, reference is made to [5], [6] and [7]. Finally, this effect can also be used for flow control.
  • two opposing transducers or a transducer with a reflector opposite
  • the embodiment of the flow control device 32 shown in FIG. 2 has an acoustic wave generating device 36, which is designed to form a standing sound wave 38 whose antinodes have a defined spatial distribution for influencing the flow.
  • an arrangement of at least one sound transducer 52 and a reflector 58 or an arrangement of at least one first sound transducer 54 and a second sound transducer 56 is provided.
  • a controller not shown is connected, which supplies the sound transducer with an adjustable AC voltage for generating the three-dimensional standing sound wave 38 and thus the spatially defined arranged and distributed virtual riblets.
  • FIGS. 4a to 4d show different specifically generated and locally defined standing three-dimensional sound waves in the application example of acoustic levitation. 4 shows the visualization of the acoustic resonance patterns of acoustic levitation by means of cold ice aerosol, see [7].
  • Fig. 2 the application of this technique of standing sound waves for flow control is shown.
  • crossflows within the boundary layer 20 are inhibited, thereby establishing an elongated laminar flow 22. Due to the prolonged preservation of the low-resistance laminar flow 22 and subsequent transfer into the turbulent flow 26, the overall result is a generally lower aerodynamic drag.
  • FIG. 2 illustrates the generation of virtual riblets 44 by means of vertically arranged transducers.
  • Fig. 5 shows further embodiments of the sound wave generating device 36, which are particularly suitable for influencing the flow of fluid dynamic profile body.
  • Fig. 5 shows various arrangements of sounders or transducers 52 to an array 44 (phased array transducer), see in detail the reference [8].
  • the direction of propagation of the sound wave can be adjusted in a targeted manner or, if necessary, focused on one point.
  • the sound waves are generated with a plurality of individual transducers - many individual transducers 52 - which are arranged in a certain way depending on the application. Different arrays 64 of transducers 52 are shown in FIG. 5.
  • An arrangement of such transducers is collectively referred to as a "phased array transducer" 66, since the individual transducers must be driven out of phase in order to achieve a directional (total) sound wave or focusing / focusing, see [8].
  • FIG. 6 shows sound focused near the surface by means of phased array transducer 66, which is focused into a single print node.
  • phased array transducers 66 are self-affixed to the surface-fluid dynamic surface 10-at regular intervals to create a plurality of such virtual riblets 44 on the surface.
  • 7 shows a further exemplary embodiment of the flow-dynamic profile body 34 with a further embodiment of the flow control device 32, which is an embodiment of a sound wave generator.
  • generating device 36 in which such strip-shaped sound transducers 52 are combined to form such a phased array transducer 66 in order to generate the virtual riblets 44.
  • FIG. 7 illustrates the generation of virtual riblets 44 by means of strip-shaped phased array transducers 66 on a surface 10 having a flow dynamic action.
  • the individual transducers - sound transducers 52 - are alternatively arranged so that they already have a bundled emission characteristic out of the shaping or by means of acoustic lenses.
  • Such an embodiment is currently less preferred, since such arrays are rather inflexible, since they already have a fixed radiation direction or a fixed focal point. Adjustments could be achieved here by adjusting the position or orientation of the transducers or the acoustic lenses. Depending on the application, these embodiments may be interesting.
  • ultrasonic arrays are used in other technical fields, e.g. in non-destructive testing of materials and in medicine in the destruction of e.g. Tumor tissue or kidney stones or gallstones today's state of the art and thus known.
  • the adjustments for beam adaptation and propagation of the sound waves known from these technical fields can also be used for the flow control described here.
  • the virtual riblets 44 which are generated by wave bellies of a standing sound wave and extend according to the local distribution and position of the bellies, are linear, preferably parallel to the Flow direction extending elements have been described.
  • the riblets 44 are formed as a kind of pressure wall or baffle 60 - ie wall of sound.
  • baffles 60 do not necessarily have to be straight and parallel, but any other shapes and distributions that are to be created with the phased array transducer 66 are conceivable. Some exemplary arrangements are shown in FIG.
  • FIG. 8 shows different possible arrangements of the "virtual" riblets 44, namely parallel in FIG. 8a, pointed in FIG. 8b and wavy in FIG. 8c.
  • Conditions for optimum and maximum turbulence suppression can be determined in experiments depending on the application.
  • self-optimization according to the principle of neural networks is conceivable, whereby the arrangement of the sound transducers is distributed rather statistically and the time generation and shape of the sound nodes is determined by the self-learning process to a minimum air resistance out.
  • Another slightly modified application possibility is that deliberately breaking out air vortexes, such as so-called hairpin vortices, see [9], are shot with a focussed sound pulse, which prevents their further training.
  • the transducers or sound transducers 52 can simultaneously play the role of a sensor and an actuator, since the transducers or sound transducers 52 in the opposite case, ie with an existing pressure fluctuation, convert them into an electrical signal which is used to detect the position of the resulting vortex serves.
  • the flow manipulation results in a further possible use of such baffles 60, especially in the case of ultrasonic walls. Ice-formed wings forming during the flight, especially in the area of the slats, are always a problem. These are formed by streamlined and adhering ice particles. By generating and enveloping certain areas of the wing with the virtual riblets 44, the ice particles are deliberately deflected. The baffles 60 thus act as a protective screen, thereby preventing the ice from sticking.
  • the sound transducer 52 could attach under the aircraft skin. The sound waves thus generated would penetrate through the material of the skin in the overlying air layer.
  • Such an adaptation layer could be e.g. easy to apply on planes by simply coating on the aircraft skin without having to intervene in the own structure of the aircraft skin.
  • “virtual" riblets 44 are generated by means of sound or, depending on the boundary condition, ultrasound.
  • phased array transducers 66 are used, which are arranged, for example, strip-shaped longitudinally in the flow direction 24. Phase-shifted activation of the individual sound transducers 52 thus makes it possible to generate a sound beam which, focused on the surface, generates a standing pressure wave. This acts as a wall 60 for the passing flow. Thus, through this wall 60, a flow is prevented, whereby the transition from laminar flow 22 in turbulent flow 26 is prevented or delayed.
  • Another slightly modified version is not only to prevent cross-flow by means of virtual riblets 44, but also to focus the sound in a targeted manner on emerging air vortices, to shatter them and to prevent their further formation.
  • phased array transducer 66 scalable baffles 60 and thus adaptation to the flow situation, such. Flow rate, takeoff / landing on airplanes

Abstract

Zum Schaffen einer adaptiven Strömungsbeeinflussung mit geringem Eingriff in die Oberfläche schafft die Erfindung eine Strömungssteuerungsvorrichtung (32) zur Beeinflussung einer Strömung (12) eines Fluidmediums (14) an einer strömungsdynamischen Fläche (10) eines strömungsdynamischen Profilkörpers (34), umfassend eine Schallwellenerzeugungseinrichtung (36) zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle (38) mit örtlich definierten Wellenbäuchen (40) und Wellenknoten (42) und/oder eines örtlich definiert fokussierten Schallpulses. Außerdem werden ein damit versehener Profilkörper, ein entsprechendes Strömungssteuerungsverfahren sowie vorteilhafte Verwendungen beschrieben.

Description

Strömungssteuerungsvorrichtung, Strömungsprofilkörper und Strömungs- beeinflussungsverfahren mit Schallwellenerzeugung Die Erfindung betrifft eine Strömungssteuerungsvorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung an einer strömungsdynamischen Fläche eines strömungsdynamischen Profilkörpers. Weiter betrifft die Erfindung einen strömungsdynamischen Profilkörper mit einer im Betrieb von einer Fluidströmung angeströmten und/oder umströmten strömungsdynamischen Fläche. Weiter betrifft die Erfindung ein Strömungssteuerungsverfahren zum Beeinflussen einer Strömung an einer strömungsdynamischen Fläche eines strömungsdynamischen Profilkörpers. Weiter betrifft die Erfindung vorteilhafte Verwendungen von neuartigen Strömungsbe- einflussungstechniken an derartigen strömungsdynamischen Flächen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Aktorsystem zur Beeinflussung von Strömungen zur Reduzierung oder Erhöhung des Strömungswiderstandes.
Zum technologischen Hintergrund und zum Verständnis der Erfindung und deren vorteilhaften Ausgestaltungen wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:
[1 ] http ://www.d ie-vier-l iter-f I ieger.de/de/d ie-vier-l iter-f I ieger/
[2] https://de.wikipedia.org/wikiA/estas_V164-8.0
[3] http://www.wind-energie.de/infocenter/technik/funktionsweise/aerodynamik- rotorblaetter
[4] http://daten.didaktikchemie.uni- bayreuth.de/umat/wellen_mechanisch/wellen_mechanisch.htm
[5] http://dl.acm. org/citation.cfm?doid=2601 1 18
[6] http://www-brs.ub. ruhr-uni- bochum.de/netahtml/HSS/Diss/SprynchakVitaliy/diss.pdf [7] R. Tuckermann, S. Bauerecker - Wie akustische Kaltgasfallen wirken. "Tannenbäume" im stehenden Ultraschallfeld; in Chemie in unserer Zeit, Volume 42, Issue 6, pages 402^107, Dezember 2008
[8] http://www.olympus-ims.com/en/ndt-tutorials/transducers/inside/
[9] http://scitation.aip.Org/content/aip/journal/pof2/19/4/10.1063/1 .2717527
[10] http://de.wikipedia.org/wiki/Absaugen/Ausblasen_der_Grenzschicht
[1 1 ] L. Duan, M. M. Choudhari - Effects of Riblets on Skin Friction in High-Speed Turbulent Boundary Layers; 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting includ- ing the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, January 9-12, 2012, Nashville, Tennessee
[12] M. I. Mukut, H. Mizunuma, O Hiromichi - Flow Separation Control Using Plasma Vortex Generator; 10th International Conference on Mechanical Engineering, ICME 2013; Procedia Engineering 90 ( 2014 ) 232 - 237;
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705814029713/pdf? md5=010ad92800bfdcd9a359b2c2dc8f2a1 e&pid=1 -s2.0-
S1877705814029713-main.pdf
[13] http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online
[14] DE 10 2008 006 832 A1
[15] DE 10 2008 017 963A1
[16] DE10 2008 022 504 B4
[17] EP 0 955 235 B1
[18] EP 2 272 753 A1
[19] WO 2014 023 951 A1
[20] EP 2 223 853 A1
[21 ] http://de.wikipedia.org/wiki/Profil_(Strömungslehre)
[22] DE 10 2008 006 831 A1
[23] DE102008035423A1
[24] DE 10 2013 013 148 B3 Ein Passagierflugzeug hat einen Treibstoffverbrauch von etwa 3 Liter pro Person auf 100 km Strecke. Dabei verursacht der Treibstoff bereits heute schon ein Drittel der Betriebskosten. Ökologisch betrachtet liegt der Anteil der Luftfahrt an den weltweiten CO2-Emissionen bei 2,42 %, siehe [1 ].
Hierbei spielt der Luftwiderstand eine wesentliche Rolle. Durch die allgemein nicht vermeidbare Reibung an Oberflächen entsteht an Flugzeugoberflächen durch das Überströmen der Luft eine sog. Grenzschicht (Boundary Layer), welche bei niedriger Reynoldszahl über die gesamte Oberfläche laminar verläuft. Bei höherer Rey- noldszahl kann die laminare Strömung nicht gänzlich aufrecht erhalten werden, wodurch diese in Strömungsrichtung zusammenbricht und sich turbulent fortsetzt - vergleiche Fig. 1 . Der Umschlag von laminarer in turbulente Strömung wird in der Strömungsmechanik auch als Transition bezeichnet. Dieser Bereich (Turbulent Flow Boundary Layer) zeichnet sich durch starke Wirbelbildung und chaotisches Fließverhalten aus, wodurch ein deutlich höherer Strömungswiderstand entsteht.
Diese Problematik spielt z.B. auch bei Windkraftanlagen eine Rolle. So erreichen derzeitig aktuelle Windkraftanlagen (z.B. Vestas V164-8.0, siehe [2]) mit Rotordurchmessern von 164 m Blattspitzengeschwindigkeiten von bis zu 370 km/h. Durch aerodynamische Verluste, d.h. durch Reibung an der Profiloberfläche (sog. Profil-Verluste) sowie durch Druckausgleich an der Blattspitze (sog. Tip-Verluste) wird der maximale Rotorwirkungsgrad vermindert. Während der theoretische maximale Wirkungsgrad bei ca. 59 % liegt, erreichen derzeit reale Windenergierotoren einen Wirkungsgrad von ca. 50 %, siehe [3].
Es gibt bereits eine große Anzahl an unterschiedlichen Konzepten, von denen sich jedoch bisher noch keines durchsetzen konnte: Riblets: Ähnlich einer Haifischhaut werden auf der Oberfläche miniaturisierte Stege/Wände aufgebracht (im mm-Bereich), welche ein Querfließen der Strömung verhindern sollen, siehe z.B. [1 1 ]
Turbulator (Vortex-Generator): Durch Anbringen von einer kleinen Oberflä- chenstörung wird der laminare Strom gezielt in eine turbulente Strömung überführt, um einen Strömungsabriss (plötzliche Abnahme des Auftriebs) hinauszuzögern, siehe z.B. [14], [16], [18]
Absaugen der Grenzschicht: Mittels kleinen Öffnungen wird die vorhandene Grenzschicht ins Innere abgesaugt, siehe z.B. [10], [17], [19]
- Ausblasen in die Grenzschicht (synthetic jets): Ein Strahl wird in einer definierten Frequenz mittels Düsen in die Grenzschicht geblasen, wodurch sich die abgelöste Strömung wieder an die Oberfläche anlegt, siehe z.B. [10], [15] Oberflächenwellen: Mittels Aktoren (z.B. Piezoaktoren) wird auf der Oberfläche eine Welle generiert, welche einen positiven Einfluss auf den laminar- turbulenten Übergang besitzt und diesen hinauszögert, siehe z.B. [13], [18]
Plasma-Vortex-Generator: Mittels auf und unter der Oberfläche angebrachten Elektroden lässt sich ein Plasma erzeugen, wodurch auf der Oberfläche kleinere Luftwirbel entstehen; diese haben einen direkten Einfluss auf die Grenzschicht, siehe z.B. [12]
In [20] und [21 ] sind Beispiele für strömungsdynamische Profilkörper beschrieben, auf die die Erfindung anwendbar ist.
In [22], [23] und [24] sind Detektoren oder Sensoren zur Erfassung von Eigen- Schäften und/oder Parametern einer zu beeinflussenden Strömung beschrieben.
Viele der oben erwähnten Lösungsansätze sind derzeitiger Forschungsstand und wurden noch nicht ausreichend erprobt. Einige Ansätze sehen zwar in Ihrer Wir- kung vielversprechend aus und besitzen möglicherweise genügend Potential, bieten jedoch auch Nachteile:
Ein zu starker Eingriff in die Oberfläche - z.B. in Form von Bohrungen, Einschnit- ten, herausragenden Gegenständen - bedingt eine - eventuell auch negative - Beeinflussung der Strömung, wodurch sich der Strömungswiderstand sogar erhöhen kann. Zudem weisen solche„Oberflächendefekte" eine große Anfälligkeit für Verschmutzung auf, wodurch ein Ausfall der Aktoren möglich ist. Riblets bieten zwar eine bereits gezeigte Widerstandsreduktion von etwa 2%, wie ein Feldversuch mit Airbus-Flugzeugen und einem 3M Riblet tape gezeigt haben, jedoch beschränkt auf eine bestimmte Fluggeschwindigkeit auf Grund der nicht skalierbaren Abstände und Größe der Riblets. Plasma-Vortex-Generatoren benötigen hohe Spannungen und viel Energie um das erzeugte Plasma aufrecht zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit der Strömungsbeeinflussung an fluiddynamisch wirksamen Flächen zu schaffen. Außer- dem sollen weitere vorteilhafte Verwendungen der hierzu eingesetzten Strö- mungsbeeinflussungstechniken aufgezeigt werden.
Zum Lösen dieser Aufgabe werden eine Strömungssteuerungsvorrichtung, ein Strömungssteuerungsverfahren, ein strömungsdynamischer Profilkörper sowie Verwendungen von Schallwellen gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Strömungssteuerungsvor- richtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung an einer strömungsdynamischen Fläche eines strömungsdynamischen Profilkörpers, umfassend eine Schallwellenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle mit örtlich defi- nierten Wellenbäuchen und Wellenknoten und/oder eines örtlich definiert fokus- sierten Schallpulses.
Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung wenigstens einen Schallwandler zum Erzeugen einer Primärschallwelle mit einer Ausbreitungsrich- tung, die mit ihrer Hauptrichtungskomponente parallel zur Fläche und senkrecht zur Strömung verläuft, und eine Schallreflexionseinrichtung zum Zurückreflektieren der Primärschallwelle zwecks Erzeugen der stehenden Schallwelle aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung wenigstens einen ersten Schallwandler zum Erzeugen einer ersten Schallwelle mit einer Ausbreitungsrichtung, die mit ihrer Hauptrichtungskomponente parallel zur Fläche und senkrecht zur Strömung verläuft, und einen zweiten Schallwandler zum Erzeugen einer zweiten Schallwelle mit einer Ausbreitungsrichtung die der Ausbreitungsrichtung der ersten Schallwelle entgegengesetzt ist, um durch Überlagerung der ers- ten und zweiten Schallwelle die stehenden Schallwelle zu erzeugen, aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung ein Array von Schallwandlern, die in regelmäßigen Abständen an der die Fläche bildenden Oberfläche angeordnet sind und die ausgebildet sind, die stehende Schallwelle mit örtlich definierten Wellenbäuchen und Wellenknoten und/oder den örtlich fokus- sierten Schallpuls zu erzeugen, aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung eine Anordnung wenigstens eines Schallwandlers oder mehrere Schallwandler und wenigstens einer akustischen Linse aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass sich Wellenknoten und Wellenbäuche längs der Strömungsrichtung längs erstrecken.
Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass in einer Querrichtung zur Strömungsrichtung Wellenknoten und Wellenbäuche einander abwechseln.
Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass Orte von Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen geradlinig verlaufen.
Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass Orte von Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen spitz zulaufend und/oder dreieckförmig verlaufen.
Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass Orte von Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen wellenförmig verlaufen. Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen, dass Orte von Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen parallel verlaufen. Es ist bevorzugt, dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Schallwelle in Abhängigkeit von Parametern der zu beeinflussenden Strömung erzeugt oder verändert wird. Insbesondere ist die Strömungssteuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, eine Eigenschaft oder einen Parameter der zu beeinflussenden Strömung zu erfassen und die Schallwellenerzeugungseinrichtung in Abhängigkeit des erfassten Parameters anzusteuern. Vorzugsweise wird dabei die Intensität - z.B. Schallpegel - und/oder die örtliche Verteilung der stehenden Schallwelle verändert und an die erfassten Ist-Bedingungen angepasst.
Zur Erfassung von Eigenschaften der Strömung kann z.B. einer oder mehrere der aus [22], [23] und [24] bekannten Detektoren eingesetzt werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden Schallwandler nicht nur zur Schallerzeu- gung, sondern auch zur Erfassung von wenigstens einer Eigenschaft oder eines Parameters der Strömung verwendet.
Die Schallwandler sind z.B. an eine Steuerung angeschlossen und werden mit einer Steuerenergie - z.B. einer elektrischen Spannung - versorgt, um die Schall- wellen zu erzeugen. Umgekehrt sind die meisten Schallwandler in der Lage, entsprechende Druckschwankungen in eine andere Energieart - z.B. eine elektrische Spannung - umzuwandeln. Die Steuerung kann ausgebildet sein, entsprechend im Empfangsmodus Signale von dem Schallwandler zu empfangen, um so Rückschlüsse auf die Strömungsbedingungen zu schließen und gegebenenfalls den Schallwandler entsprechend anders anzusteuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen strömungsdynamischen Profilkörper umfassend eine im Betrieb von einer Fluidstromung angeströmten und/oder umströmten strömungsdynamischen Fläche, umfassend eine Schallwellenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle mit örtlich an der Fläche definiert angeordneten Wellenbäuchen und Wellenknoten und/oder eines örtlich definiert fokussierten Schallpulses. Bevorzugt weist der strömungsdynamische Profilkörper eine Strömungssteue- rungsvorrichtung nach einer oder mehrerer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen auf.
Z.B. kann der strömungsdynamische Profilkörper ausgebildet sein als:
- Strömungsprofil eines Luftfahrzeuges oder
Tragflügel oder Leitwerkkörper eines Flugzeuges oder
Triebwerkseinlasskörper eines Fahrzeuges oder Luftfahrzeuges oder Rotorflügel oder Propellerflügel eines Luftfahrzeuges oder eines Windrads. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Anwendung der hier vorgestellten Strömungsbeeinflussungstechniken mittels stehender akustischer Wellen und/oder gezielt fokussierter Schallwellen auf andere Fahrzeuge, wie Landfahrzeuge oder Wasserfahrzeuge und auch überall sonst, wo eine Strömungsbeeinflussung an umströmten strömungsdynamischen Flächen und Körpern zur Beein- flussung - z.B. Vermeiden oder Verzögern - eines Übergangs von laminarer in turbulente Strömung erwünscht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Strömungssteuerungsver- fahren zum Beeinflussen einer Strömung an einer strömungsdynamischen Fläche eines strömungsdynamischen Profil körpers, umfassend: Beeinflussen der Strömung mittels örtlich definiert an der Fläche erzeugten Schallwellen - insbesondere in dem umströmenden Fluidmedium.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch a) Erzeugen wenigstens einer stehenden Schallwelle und/oder b) Fokussieren eines Schallpulses auf einen zu beeinflussenden Strömungsbe- reich. Es ist bevorzugt, dass Schritt a) den Schritt enthält:
Erzeugen der stehenden Schallwelle mit sich längs der Strömungsrichtung längs erstreckenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt a) den Schritt enthält:
Erzeugen der stehenden Schallwelle mit sich in einer Querrichtung zur Strömungsrichtung abwechselnden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt a) den Schritt enthält:
Erzeugen der stehenden Schallwelle mit geradlinig verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt a) den Schritt enthält:
Erzeugen der stehenden Schallwelle mit spitz zulaufenden und/oder dreieckformig verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt a) den Schritt enthält:
Erzeugen der stehenden Schallwelle mit wellenförmig verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen. Es ist bevorzugt, dass Schritt a) den Schritt enthält:
Erzeugen der stehenden Schallwelle mit parallel verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist gekennzeichnet durch Verhindern oder Verzögern eines Übergangs einer laminaren Strömungsflusses in einen turbulenten Zustand durch Verwenden einer stehenden Schallwelle als Hindernis und/oder Führung für den Strömungsfluss und/oder als Vortex-Generator.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist gekennzeichnet durch Verändern der Schallwellenerzeugung in Abhängigkeit von Parametern der zu beeinflussenden Strömung.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist gekennzeichnet durch Erfassen wenigstens eines Parameters der zu beeinflussenden Strömung und Erzeugen der Schallwellen in Abhängigkeit von dem erfass- ten Parameters.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens ist gekennzeichnet durch Verwenden wenigstens eines Schallwandlers zur Erzeugung der Schallwelle und als Detektor zum Erfassen einer Eigenschaft oder eines Parameters der zu beeinflussenden Strömung.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens wird mittels der Strömungssteuerungsvorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchgeführt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Strömungssteuerungsverfahrens wird an einem strömungsdynamischen Pro- filkörper nach einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung einer stehenden Schallwelle und/oder eines fokussierten Schallpulses in einem Fluidmedi- um zur Beeinflussung einer Strömung des Fluidmediums an einer strömungsdynamischen Fläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung einer ste- henden Schallwelle und/oder eines fokussierten Schallpulses in einem Fluidmedi- um zur Vermeidung von Eisbildung an der strömungsdynamischen Fläche.
Eine weitere Erfindung, die auf der gleichen Idee der Ausnutzung stehender Schallwellen und/oder örtlich gezielt fokussierter Schallwellen im Bereich der Oberfläche strömungsdynamischer Profil körper beruht, betrifft eine Vereisungs- vermeidungsvorrichtung zur Vermeidung einer Eisbildung an einem umströmten Profilkörper, umfassend eine Schallwellenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle mit örtlich an der Fläche definiert angeordneten Wellenbäuchen und Wellenknoten und/oder eines örtlich definiert fokussierten Schall- pulses.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Übergangs einer Grenzschicht an einem strömungsdynamischen Profil körper von laminarer zu turbulenter Strömung zur Verdeutlichung eines der Probleme, die durch Ausführungsformen der Erfindung gelöst werden können; gezeigt ist die Grenzschicht, laminar (links) und turbulent (rechts);
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines strömungsdynamischen Körpers mit einem ersten Ausführungsbeispiels einer Strömungssteue- rungsvorrichtung, die eine erste Ausführungsform einer Schallwellenerzeugungseinrichtung aufweist; zeigt eine Grafik zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Schallwellenerzeugungseinrichtung sowie der damit versehenen Strömungssteu- erungseinrichtung; zeigt Fotografien einer Visualisierung von stehenden Schallwellen, wie sie bei Ausführungsformen der Strömungssteuerungsvorrichtung zur Beeinflussung einer Strömung an einem strömungsdynamischen Körper eingesetzt werden können; zeigt in den Teilfiguren 5a bis 5f sechs verschiedene weitere Ausführungsformen der Schallwellenerzeugungseinrichtung unter Verwendung von unterschiedlichen Arrays von Schallwandlern - im Folgenden auch Phased Array Transducer genannt; zeigt eine Grafik, in der eine Erzeugung einer stehenden Schallwelle mittels Phased Array Transducer gemäß einer der in Fig. 5 gezeigten Darstellungen verdeutlicht wird, eine zweite Ausführungsform eines strömungsdynamischen Profilkörpers mit einer zweiten Ausführungsform einer Strömungssteuerungsvorrichtung, die Schallwellenerzeugungseinrichtung der in Fig. 5 und 6 verdeutlichten Art mit Phased Array Transducern aufweist; zeigt in den Teilfiguren 8a, 8b und 8c mögliche Ausgestaltungen von stehenden Schallwellen zur Strömungsbeeinflussung bei einer Strömungssteuerungsvorrichtung, beispielsweise gemäße Fig. 7. In Fig. 1 ist ein Beispiel einer strömungsdynamischen Fläche 10 dargestellt, die durch eine Strömung 12 eines Fluidmediums 14, beispielsweise Luft, angeströmt wird. Die Fläche 10 ist beispielsweise eine Oberfläche eines Tragflügels 16 eines Passagierflugzeuges 18, das sich durch die Luft bewegt.
Dabei spielt der Luftwiderstand eine wesentliche Rolle. Durch die allgemein nicht vermeidbare Reibung an Oberflächen entsteht an Flugzeugoberflächen durch das Überströmen der Luft eine sog. Grenzschicht 20, welche bei niedriger Reynolds- zahl über die gesamte Fläche 10 laminar verläuft. Bei höherer Reynoldszahl kann die laminare Strömung 22 nicht gänzlich aufrecht erhalten werden, wodurch diese in Strömungsrichtung 24 zusammenbricht und sich turbulent fortsetzt - turbulente Strömung 26. Der Umschlag von laminarer Strömung 22 in turbulente Strömung 26 wird in der Strömungsmechanik auch als Transition bezeichnet und ist in Fig. 1 als Übergangsbereich 28 dargestellt. Der Bereich turbulenter Strömung 26 zeich- net sich durch starke Wirbelbildung und chaotisches Fließverhalten aus, wodurch ein deutlich höherer Strömungswiderstand entsteht. Unterhalb der turbulenten Strömung 26 befindet sich eine laminare Unterschicht 30.
Im Stand der Technik haben sich die Ausbildung von sogenannten Riblets - hier- unter sind z.B. in Strömungsrichtung 24 gerichtete z.B. rippenartige Hindernisstrukturen zu verstehen - als unter bestimmten Bedingungen brauchbare Maßnahmen erwiesen, um den Übergang von laminarer Strömung 22 in turbulente Strömung 24 zu vermeiden oder zu verzögern. Z.B. werden solche Riblets durch aufgeklebte und entsprechend ortsunveränderliche Strukturen gebildet.
Im Folgenden werden Strömungssteuerungsvorrichtungen 32 beschrieben, mit denen sich ähnliche Effekte wie durch die Riblets erreichen lassen, die aber weniger Eingriffe in die Oberflächenform der strömungsdynamischen Fläche 10 erfordern und die auch an sich ändernde Strömungsbedingungen anpassbar sind. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines strömungsdynamischen Profilkörpers 34, an dem eine solche strömungsdynamisch wirksame Fläche 10, die durch eine Strömung 12 des Fluidmediums angeströmt wird, dargestellt. Der Profilkörper 34 ist z.B. eine Tragfläche oder ein Tragflügel 16 eines Luftfahrzeuges 34, wie z.B. eines Passagierflugzeuges 18. Weitere Beispiele für den Profilkörper 34 sind Leitwerke, Rumpfteile oder Triebwerksteile, wie z.B. Triebwerkseinlässe von Luftfahrzeugen oder Propellerblätter oder Rotorblätter von Luftfahrzeugen wie Flugzeugen oder Hubschraubern. Ein weiteres Beispiel für den Profilkörper sind Rotorblätter von Windrädern. Siehe für weitere Einzelheiten derartiger Profilkörper die Literaturstellen [1 ], [2], [3], [20] und [21].
Die Strömungssteuerungsvorrichtung 32 weist jedoch anstelle starrer Riblets eine Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 auf, mittels der sich eine dreidimensionale stehende Schallwelle 38 in dem Fluidmedium 14 in der Grenzschicht 20 erzeugen lässt. Eine solche stehende Schallwelle 38 mit Wellenbäuchen 40 und Wellenknoten 42 bildet sozusagen„virtuelle Riblets" 44 aus, die wie körperlich vorhandene Riblets wirken. Dies wird im Folgenden anhand der Fig. 3 und 4 näher verdeutlicht.
Fig. 3 zeigt in Teilfiguren 3a bis 3d die Überlagerung von Wellen 46, 48 und eine daraus resultierende stehende Welle 50, siehe [4] und siehe hierzu auch Wikipe- dia: http://de.wikipedia.org/wiki/Stehende_Welle. In den Teilfiguren 3a bis 3d werden eine nach rechts laufende Welle 46 mit einer nach links laufenden Welle 48 überlagert.
Durch Überlagerung von zwei Wellen 46, 48 gleicher Frequenz lässt sich eine stehende Welle erzeugen. Treffen sich zwei Wellen 46, 48 - in Fig. 3a, hier mit gleicher Amplitude - in der Mitte, kommt es durch Überlagerung zur Interferenz. Schreiten die Wellen 46, 48 je um eine Viertel Wellenlänge (= 1/4 λ) fort, so haben sie sich insgesamt zueinander um eine halbe Wellenlänge verschoben, siehe Fig. 3b. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Wellen 46, 48 in Phase, wodurch es zur konstruktiven Interferenz kommt.
Bewegen sich die Wellen erneut je um 1/4 A fort, wie in Fig. 3c gezeigt, befinden sie sich in Gegenphase mit destruktiver Interferenz. Die Amplitude der resultierenden Welle 50 ist demnach gleich Null.
Bewegen sich die Wellen wieder um 1/4 λ fort, so sind sie erneut in Phase. Es folgt wieder konstruktive Interferenz mit entsprechender Amplitude der resultierenden Welle, siehe Fig. 3d. Die stehenden Maxima bzw. Minima ergeben sich somit jedes Mal an gleicher Stelle, wodurch die stehende Welle 50 entsteht, vgl. Fig. 3b mit Fig. 3d.
Bei der Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 wird hörbarer Schall im höheren Frequenzbereich und besonders Ultraschall, mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen, von Schallgebern oder Schallwandlern (auch Transducer genannt) z.B. mittels des (inversen) piezoelektrischen Effektes erzeugt. Hierbei regt eine hochfrequente elektrische Wechselspannung ein piezoelektrisches Material wie z.B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zu Schwingungen an, welche in einem kompressiblen Medium 14 wie Luft Druckschwankungen und in Folge Schall verursachen.
Nach dem Prinzip der stehenden Welle 50 können z.B. bei der akustischen Levita- tion mit Ultraschall leichte Partikel in Schwebe gehalten werden. Auf Grund der sich abwechselnden Druckunterschiede entstehen kleine Strömungen, welche sich z.B. kreisförmig ausbilden und somit eine Kraft auf kleinere Partikel ausüben können. Diese sog. akustische Kraft kann dazu genutzt werden um dementsprechend Partikel gefangen zu halten, vgl. Fig. 4, für weitere Erläuterungen und Einzelheiten wird auf [5], [6] und [7] verwiesen. Dieser Effekt lässt sich schließlich auch zur Strömungskontrolle verwenden. Hierfür werden zwei sich gegenüber stehende Transducer (oder ein Transducer mit einem gegenüber stehenden Reflektor) - erster Schallwandler 54 und zweiter Schallwandler 56 oder Schallwandler 52 und Reflektor 58 - nahe der Oberfläche - Fläche 10 - stehend (z.B. senkrecht zur Oberfläche) angebracht, welche dazwi- sehen eine 2-dimensionale stehende Schallwelle erzeugen, also lokale alternierende Druckstellen, vgl. Fig. 2a. Werden dementsprechend viele solcher mehr 2- dimensionaler stehenden Wellen in gleicher Ausrichtung hintereinander angeordnet, ergibt sich eine längliche„Druckwand" 60, - örtliche Verteilung eines Wellenbauchs einer dreidimensionale stehende Schallwelle 38 dargestellt mit„+" für posi- tive Amplitude und„-" für negative Amplitude - welche im Folgenden als„virtuelles" Riblet 44 bezeichnet wird, siehe Fig. 2b. Im Falle der Turbulenzbeeinflussung werden die virtuellen Riblets 44 vorzugsweise so ausgerichtet, dass diese parallel zur Strömungsrichtung 24 verlaufen. Demnach weist die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Strömungssteue- rungsvorrichtung 32 eine Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 auf, die zum Ausbilden einer stehenden Schallwelle 38 ausgebildet ist, deren Wellenbäuche eine definierte örtliche Verteilung zur Strömungsbeeinflussung aufweisen. Hier ist z.B. eine Anordnung aus wenigstens einem Schallwandler 52 und einem Reflektor 58 oder eine Anordnung aus wenigstens einem ersten Schallwandler 54 und einem zweiten Schallwandler 56 vorgesehen. An die Schallwandler 52, 56, 54 ist eine nicht näher dargestellte Steuerung angeschlossen, die die Schallwandler mit einer einstellbaren Wechselspannung zum Erzeugen der dreidimensionalen stehenden Schallwelle 38 und damit der örtlich definiert angeordneten und verteilten virtuellen Riblets versorgt.
Dabei kann durch entsprechende Ansteuerung die Zahl, Lage, Ausrichtung und Intensität der virtuellen Riblets 44 (der Wellenbäuche 40) gezielt verändert und an derzeitige Bedingungen und Eigenschaften der Strömung 12 angepasst werden. Die gezielte Veränderung und Ausrichtung der Lage von Wellenbäuchen stehender akustischer Wellen ist bekannt und wird z.B. für andere Anwendungen in [5], [6] und [7] erläutert. In Fig. 4a bis 4d sind unterschiedliche gezielt erzeugte und örtlich definierte stehende dreidimensionale Schallwellen am Anwendungsbeispiel der akustischen Levitation dargestellt. Fig. 4 zeigt die Visualisierung der akusti- sehen Resonanzmuster der akustischen Levitation mittels kalten Eisaerosol, siehe [7].
In Fig. 2 ist die Anwendung dieser Technik stehender Schallwellen zur Strömungskontrolle gezeigt. Durch die Erzeugung der virtuellen Riblets 44 werden Querströmungen innerhalb der Grenzschicht 20 unterbunden, wodurch sich eine verlängerte laminare Strömung 22 einstellt. Durch den längeren Erhalt der widerstandsärmeren laminaren Strömung 22 und späteren Umschlag in die turbulente Strömung 26 ergibt sich somit in der Summe ein allgemein geringerer Luftwiderstand.
In Fig. 2 ist die Erzeugung virtueller Riblets 44 mittels stehend angeordneten Transducern verdeutlicht. Inn Folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen, die weitere Ausführungsformen der Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 zeigt, die besonders zur Strömungsbeeinflussung für strömungsdynamische Profilkörper geeignet sind. Fig. 5 zeigt verschiedene Anordnungen von Schallgebern oder Schallwandlern 52 zu einem Array 44 (Phased Array Transducer), siehe hierzu im Einzelnen die Literaturstelle [8].
Durch die Verwendung bestimmter Transducer lässt sich die Ausbreitungsrichtung der Schallwelle gezielt einstellen oder auch bei Bedarf gebündelt auf einen Punkt fokussieren. Bei den Ausführungsformen der Fig. 5 werden die Schallwellen mit einer Vielzahl aus Einzeltransducern - viele einzelne Schallwandler 52 - erzeugt, welche je nach Anwendung in einer bestimmten Weise angeordnet sind. Es sind unterschiedliche Arrays 64 von Schallwandlern 52 in Fig. 5 dargestellt. Eine Anordnung solcher Transducer wird zusammen als ein„Phased Array Transducer" 66 bezeichnet, da die einzelnen Transducer phasenverschoben angesteuert wer- den müssen, um eine gerichtete (gesamt) Schallwelle bzw. Bünde- lung/Fokussierung zu erreichen, siehe [8].
Durch Verwendung von streifenförmigen Arrays 64 lassen sich erneut längliche virtuelle Riblets 44 bilden, welche zudem noch in ihren Abständen und ihrer Höhe verstellbar sind. Dies ist in Fig. 6 näher verdeutlicht. Fig. 6 zeigt mittels Phased Array Transducer 66 nahe der Oberfläche fokussierter Schall, der zu einen einzelnen Druckknoten fokussiert ist.
Solche Phased Array Transducer 66 werden für die Strömungsbeeinflussung in die Oberfläche - strömungsdynamische Fläche 10 - in regelmäßigen Abständen selbst angebracht, um eine Vielzahl solcher virtueller Riblets 44 auf der Oberfläche zu erzeugen. Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des strömungsdynamischen Profilkörpers 34 mit einer weiteren Ausführungsform der Strömungs- steuerungsvorrichtung 32, die eine Ausführungsform einer Schallwellenerzeu- gungseinrichtung 36 aufweist, bei der solche streifenförmigen Schallwandler 52 zu einem derartigen Phased Array Transducer 66 zusammengefasst sind, um die virtuellen Riblets 44 zu erzeugen. Fig. 7 verdeutlicht die Erzeugung virtueller Riblets 44 mittels streifenförmigen Phased Array Transducer 66 an einer strömungsdynamisch wirksamen Fläche 10.
In einer nicht näher dargestellten weiteren Ausführungsform der Schallwellenerzeugungseinrichtung 36 sind alternativ bei synchroner Ansteuerung die einzelnen Transducer - Schallwandler 52 - so angeordnet, dass diese aus der Formgebung heraus oder mittels akustischen Linsen schon eine gebündelte Abstrahlcharakteristik besitzen. Eine solche Ausgestaltung ist derzeit weniger bevorzugt, da solche Arrays eher unflexibel sind, da sie bereits eine fest eingestellte Abstrahlungsrich- tung oder einen fixen Brennpunkt besitzen. Anpassungen könnten hier durch eine Einstellung von Lage oder Ausrichtung der Transducer oder der akustischen Linsen erreicht werden. Je nach Anwendungsfall können auch diese Ausführungsformen interessant sein.
Allgemein sind Ultraschall-Arrays auf anderen technischen Gebieten, so z.B. bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und in der Medizin bei der Zerstörung von z.B. Tumorgewebe oder Nierensteine oder Gallensteinen heutiger Stand der Technik und somit bekannt. Die aus diesen technischen Gebieten bekannten Anpassungen zur Strahlanpassung und Ausbreitung der Schallwellen können auch für die hier dargestellte Verwendung zur Strömungsbeeinflussung eingesetzt wer- den.
Bisher sind die virtuellen Riblets 44, die durch Wellenbäuche einer stehenden Schallwelle erzeugt werden und sich entsprechend der örtlichen Verteilung und Lage der Wellenbäuche erstrecken, als geradlinige, vorzugweise parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Elemente beschrieben worden. Die Riblets 44 sind als eine Art Druckwand oder Schallwand 60 - d.h. Wand aus Schall - ausgebildet.
Die Form und Ausrichtung der Schallwände 60 muss jedoch nicht zwingend gera- de und parallel verlaufen, sondern es sind jegliche andere Formen und Verteilungen denkbar, welche mit den Phased Array Transducer 66 zu erzeugen sind. Einige exemplarische Anordnungen sind in Fig. 8 dargestellt.
Fig. 8 zeigt unterschiedliche mögliche Anordnungsweisen der„virtuellen" Riblets 44 und zwar in Fig. 8a parallel, in Fig. 8b spitz zulaufend und in Fig. 8c wellenförmig.
Bedingungen für eine optimale bzw. maximale Turbulenzunterdrückung können je nach Anwendung in Versuchen ermittelt werden. Denkbar ist hierbei auch unter anderem auch eine Selbstoptimierung nach dem Prinzip der neuronalen Netze, wobei die Anordnung der Schallwandler eher statistisch verteilt ist und die zeitliche Generierung und Form der Schallknoten durch den selbsterlernenden Prozess zu einem minimalen Luftwiderstand hin ermittelt wird. Eine weitere leicht abgewandelte Einsatzmöglichkeit ist, dass mit einem fokussier- ten Schallpuls gezielt herausbrechende Luftwirbel, wie z.B. sog. Hairpin Vortizes siehe [9], zerschossen werden, was deren weitere Ausbildung unterbindet. Hierbei können die Transducer oder Schallwandler 52 gleichzeitig die Rolle eines Sensors und eines Aktors einnehmen, da die Transducer oder Schallwandler 52 im umge- kehrten Fall, also bei einer vorhandenen Druckschwankung, diese in ein elektrisches Signal umwandeln, welches zur Erfassung der Position der entstehenden Wirbel dient. Neben dem Einsatz für die Strömungsmanipulation ergibt sich eine weitere mögliche Verwendung solcher Schallwände 60, insbesondere im Fall von Ultraschallwänden. Sich während des Fluges bildende vereiste Tragflächen, insbesondere im Bereich des Vorflügels, stellen immer wieder ein Problem dar. Diese bilden sich durch angeströmte und anhaftende Eispartikel. Durch die Erzeugung und Einhüllung bestimmter Bereiche des Flügels mit den virtuellen Riblets 44 werden die Eispartikel gezielt abgelenkt. Die Schallwände 60 fungieren somit als ein Schutzschirm, wodurch ein Anhaften des Eises vermieden wird.
Da sich Schallwellen auch in festen Materialien wie z.B. Aluminium ausbreiten, ließe sich der Schallwandler 52 unter die Flugzeughaut anbringen. Die somit erzeugten Schallwellen würden durch das Material der Haut in die darüber liegende Luftschicht dringen.
Um allgemein eine bessere Einkopplung des Schalls in ein Medium mit abweichender akustischer Impedanz zu erreichen, werden i.R. auf die Transducer Anpassungsschichten aufgebracht. Solch eine Anpassungsschicht ließe sich z.B. bei Flugzeugen unkompliziert durch einfaches Beschichten auf der Flugzeughaut aufbringen, ohne ebenfalls in die eigene Struktur der Flugzeughaut eingreifen zu müssen.
Bei den hier beschriebenen Lösungen werden„virtuelle" Riblets 44 mittels Schall, bzw. je nach Randbedingung Ultraschall, erzeugt. Zur Erzeugung des Schalls werden im derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel Phased Array Transducer 66 verwendet, welche z.B. streifenförmig ausgebildet längs in Strömungsrichtung 24 angeordnet werden. Durch phasenverschobene Ansteuerung der einzelnen Schallwandler 52 lässt sich somit ein Schallstrahl erzeugen, welcher nahe der Oberfläche fokussiert eine stehende Druckwelle erzeugt. Diese wirkt für den vorbeiströmenden Fluss wie eine Wand 60. Somit wird durch diese Wand 60 ein Durchströmen verhindert, wodurch der Übergang von laminarer Strömung 22 in turbulente Strömung 26 verhindert bzw. verzögert wird.
Eine weitere leicht abgewandelte Ausführung ist nicht nur mittels virtueller Riblets 44 eine Querströmung zu verhindern, sondern den Schall gezielt auf herausbre- chende Luftwirbel zu fokussieren, diese zu zerschießen und deren weitere Ausbildung zu unterbinden.
Einige Vorteile der hier dargestellten Lösungen sind:
Insbesondere bei der Verwendung von Phased Array Transducer 66: Ska- lierbare Schallwände 60 und somit Anpassung an die Strömungssituation, wie z.B. Strömungsgeschwindigkeit, Start/Landung bei Flugzeugen
Gezielte Manipulation der Strömung bei z.B. ausbrechenden Wirbeln
Allgemein kein oberflächenverändernder und somit strömungsbeeinflussen- der Eingriff in die Oberflächenstruktur
Die hier dargestellten Lösungen betreffen insbesondere
eine Turbulenzbeeinflussung/Strömungsmanipulation (manipulation of turbu- lence/flow)
eine aktive Änderung des Luftwiderstands (active air drag modification) und/oder
eine Erzeugung einer Ultra-/Schallwand (ultra-/sonic sound wall). Durch die hier dargestellten Lösungen wird insbesondere ein Aktorsystem zur Beeinflussung von Strömungen zur Reduzierung oder Erhöhung des Strömungswiderstandes geschaffen. Vorteilhafte Anwendungsgebiete sind insbesondere
• eine Reduzierung des Luftwiderstandes und somit der Treibstoffeinsparung bei Luftfahrzeugen und insbesondre primär Flugzeugen und bei Schnellzügen.
• eine Effizienzsteigerung bei Turbinen und Windkraftanlagen
· eine Verbesserung bei allen Anwendungsbereichen, bei denen Strömungen einen turbulenten Zustand einnehmen können, welcher zu einem Anstieg des Strömungswiderstandes führt.
Bezugszeichenliste:
10 strömungsdynannische Fläche
12 Strömung
14 Fluidmedium
16 Tragflügel
18 Passagierflugzeug
20 Grenzschicht
22 laminare Strömung
24 Strömungsrichtung
26 turbulente Strömung
28 Übergangsbereich
30 laminare Unterschicht
32 Strömungssteuerungsvorrichtung
34 Profil körper
36 Schallwellenerzeugungseinrichtung
38 stehende Schallwelle
40 Wellenbauch
42 Wellenknoten
44 virtuelles Riblet
46 Welle nach rechts
48 Welle nach links
50 stehende Welle
52 Schallwandler
54 erster Schallwandler
56 zweiter Schallwandler
58 Reflektor
60 Druckwand/Schallwand Array
Phased Array Transducer

Claims

Patentansprüche
1 . Strömungssteuerungsvorrichtung (32) zur Beeinflussung einer Strömung (12) eines Fluidmediums (14) an einer strömungsdynamischen Fläche (10) eines strö- mungsdynamischen Profilkörpers (34), umfassend eine Schallwellenerzeugungseinrichtung (36) zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle (38) mit örtlich definierten Wellenbäuchen (40) und Wellenknoten (42) und/oder eines örtlich definiert fokussierten Schallpulses.
2. Strömungssteuerungsvorrichtung (32) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung (36) umfasst:
a) wenigstens einen Schallwandler (52) zum Erzeugen einer ersten Welle (46) mit einer Ausbreitungsrichtung, die mit ihrer Hauptrichtungskomponente pa- rallel zur Fläche (10) und senkrecht zur Strömungsrichtung (24) verläuft, und eine Schallreflexionseinrichtung (58) zum Zurückreflektieren (48) der ersten Welle (46) zwecks Erzeugen der stehenden Schallwelle (38), und/oder b) wenigstens einen ersten Schallwandler (54) zum Erzeugen einer ersten Welle (46) mit einer Ausbreitungsrichtung, die mit ihrer Hauptrichtungskompo- nente parallel zur Fläche (10) und senkrecht zur Strömungsrichtung (12) verläuft, und einen zweiten Schallwandler (56) zum Erzeugen einer zweiten Welle (48) mit einer Ausbreitungsrichtung die der Ausbreitungsrichtung der ersten Schallwelle entgegengesetzt ist, um durch Überlagerung der ersten und zweiten Welle (46, 48) die stehenden Schallwelle (38) zu erzeugen, und/oder
c) ein Array (64, 66) von Schallwandlern (52), die in regelmäßigen Abständen im Bereich der Fläche (10) angeordnet sind und die ausgebildet sind, die stehende Schallwelle (38) mit örtlich definierten Wellenbäuchen (40) und Wellenknoten (42) und/oder den örtlich fokussierten Schallpuls zu erzeugen, und/oder
d) eine Anordnung wenigstens eines Schallwandlers (52) oder mehrere Schallwandler und wenigstens einer akustischen Linse.
3. Strömungssteuerungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schallwellenerzeugungseinrichtung (36) dazu ausgebildet ist, die stehende Schallwelle derart zu erzeugen,
e) dass sich Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuche (40) längs der Strömungsrichtung (24) länglich erstrecken und/oder
f) dass in einer Querrichtung zur Strömungsrichtung (24) Wellenknoten (42) und Wellenbäuche (40) einander abwechseln, und/oder
g) dass Orte von Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40) plattenförmig oder wandförmig verlaufen, und/oder
h) dass Orte von Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40) in Draufsicht auf die Fläche (10) gesehen spitz zulaufen und/oder dreieckförmig verlaufen, und/oder
i) dass Orte von Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40) in Draufsicht auf die Fläche wellenförmig verlaufen,
j) dass Orte von Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40) parallel verlaufen.
4. Strömungsdynamischer Profilkörper (34) umfassend eine im Betrieb von ei- ner Strömung (12) eines Fluidmediums (14) angeströmten und/oder umströmten strömungsdynamischen Fläche (10), umfassend eine Schallwellenerzeugungseinrichtung (36) zum Erzeugen einer stehenden Schallwelle (38) mit örtlich an der Fläche (10) definiert angeordneten Wellenbäuchen (40) und Wellenknoten (42) und/oder eines örtlich definiert fokussierten Schallpulses.
5. Strömungsdynamischer Profil körper (34) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Strömungssteuerungsvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
6. Strömungsdynamischer Profilkörper (34) nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
ausgebildet als:
Strömungsprofil eines Luftfahrzeuges,
- Tragflügel (16) oder Leitwerkkörper eines Flugzeuges (18),
Triebwerkseinlasskörper eines Luftfahrzeuges oder
Rotorflügel oder Propellerflügel eines Luftfahrzeuges oder eines Windrads.
7. Strömungssteuerungsverfahren zum Beeinflussen einer Strömung an einer strömungsdynamischen Fläche (10) eines strömungsdynamischen Profilkörpers
(34), umfassend: Beeinflussen der Strömung (12) mittels örtlich definiert an der Fläche (10) erzeugten Schallwellen (38).
8. Strömungssteuerungsverfahren nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch
a) Erzeugen wenigstens einer stehenden Schallwelle (38) und/oder
b) Fokussieren eines Schallpulses auf einen zu beeinflussenden Strömungsbereich.
9. Strömungssteuerungsverfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt a) wenigstens einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte enthält: e) Erzeugen der stehenden Schallwelle (38) mit sich längs der Strömungsrichtung länglich erstreckenden Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40),
f) Erzeugen der stehenden Schallwelle (38) mit sich in einer Querrichtung zur Strömungsrichtung abwechselnden Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40),
g) Erzeugen der stehenden Schallwelle (38) mit in Draufsicht auf die Fläche geradlinig verlaufenden Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40), h) Erzeugen der stehenden Schallwelle (38) mit in Draufsicht auf die Fläche (10) spitz zulaufenden und/oder dreieckförmig verlaufenden Wellenknoten
(42) und/oder Wellenbäuchen (40),
i) Erzeugen der stehenden Schallwelle (38) mit in Draufsicht auf die Fläche (10) wellenförmig verlaufenden Wellenknoten und/oder Wellenbäuchen und/oder
j) Erzeugen der stehenden Schallwelle (38) mit in Draufsicht auf die Fläche
(10) parallel verlaufenden Wellenknoten (42) und/oder Wellenbäuchen (40).
10. Strömungssteuerungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Verhindern oder Verzögern eines Übergangs einer laminaren Strömung (22) in eine turbulente Strömung (26) durch Verwenden einer stehenden Schallwelle (38) als Hindernis und/oder Führung für die Strömung.
1 1 . Strömungssteuerungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Verändern der Schallwellenerzeugung in Abhängigkeit von Parametern der zu beeinflussenden Strömung (12).
12. Strömungssteuerungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Erfassen wenigstens eines Parameters der zu beeinflussenden Strömung und Erzeugen der Schallwellen (38) in Abhängigkeit von dem erfassten Parameters.
13. Strömungssteuerungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Verwenden wenigstens eines Schallwandlers (52) zur Erzeugung der Schallwelle und als Detektor zum Erfassen einer Eigenschaft oder eines Parameters der zu beeinflussenden Strömung (12).
14. Strömungssteuerungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Durchführen des Verfahrens mittels der Strömungssteuerungsvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder Durchführen an einem strömungsdy- namischen Profilkörper (34) nach einem der Ansprüche 4 bis 6.
15. Verwendung einer stehenden Schallwelle (38) und/oder eines fokussierten Schallpulses in einem Fluidmedium zur Beeinflussung einer Strömung des Fluid- mediums an einer strömungsdynamischen Fläche (10) und/oder zur Vermeidung von Eisbildung an der strömungsdynamischen Fläche (10).
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