DE2054954C3

DE2054954C3 - Strömungssonde zur Messung des statischen Druckes und des Gesamtdruckes

Info

Publication number: DE2054954C3
Application number: DE2054954A
Authority: DE
Inventors: Peter 8031 Eichenau Partzsch
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1970-11-07
Filing date: 1970-11-07
Publication date: 1979-04-12
Also published as: SE382258B; DE2054954A1; FR2113746A5; GB1317679A; DE2054954B2; US3750470A

Description

Die Erfindung betrifft Strömungssonden zur Messung des statischen Druckes und des Gesamtdruckes für die Anbringung in einem Abstand vor, einem Luftfahrzeug, wobei die Sonde ausgehend von ihrer Vorderkante in Richtung stromab einen zylindrischen Abschnitt mit einem nachfolgenden konischen und einem daran anschließenden zweiten oder weiteren zylindrischen Abschnitt, mit scharfkantigen Übergängen von einem zum anderen Abschnitt ucd Drud'.entnahmeöffnungen aufweist.

Bei derartigen Strömungssonder erhält man über eine Differenzdruckmessung beispielsweise mittels eines Differenzdruckmanometers den dynamischen Druck, der ein wesentlicher Parameter für den Auftrieb eines Strömungskörpers ist. Aus dem statischen Druck läßt sich unmittelbar die barometrische Standardhöhe (z. B. ICAO-Normhöhe) ermitteln. Während die Entnahme des wahren Gesamtdruckes im allgemeinen keine größeren Schwierigkeiten bereitet, ist die Entnahme des wahren statischen Druckes problematisch, insbesondere dann, wenn die Stromlinien gekrümmt verlaufen oder durch das Flugobjekt gestört sind. Da sich der statische Druck theoretisch nur an einer unendlich langen, in der Strömung liegenden Sonde messen läßt, sind bereits eine Anzahl von Ausführungen derartiger Sonden bekannt, mittels derer die an einer unendlich langen Sonde theoretisch auftretenden Druckverhältnisse simuliert werden. So ist es zur Messung des statischen Druckes bekannt, am Umfang einer Sonde eine in bestimmtem Abstand, z. B. vom Fluggeräterumpf gehaltene Druckentnahme (z. B. einen Ringschlitz), anzuordnen.

Es ist auch bekannt, eine derartige Sonde mittels eines Stieles an einem Fluggerät zu befestigen, wobei dem Stiel die Aufgabe zukommt, den durch die Stauwirkung am Fluggerät verfälschten statischen Druck vollständig oder teilweise auszugleichen (Prandtlsches Staurohr),

Es ist weiterhin eine Strömungssonde bekannt geworden, deren Meßstrecke einen konischen äußeren Verlauf aufweist, wobei die Meßstrecke die öffnungen zur Entnahme des statischen Druckes enthält. Darüber hinaus ist es auch bekannt, eine Strömungssonde so auszubilden, daß das in der Strömung liegende vordere Anströmteil spitz gegen die Strömung ausläuft, um im gesamten Strömungsbereich eine turbulente Grenzschicht zu gewährleisten. Diesen bekannten Strömungssonden haften jedoch Mängel an, die insbesondere in der Empfindlichkeit bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten im sub-, trans- und supersonischen Bereich bestehen. Zudem werden die mit solchen Sonden gemessenen Drücke bei Richlungsänderungen der Anströmung zunehmend ungenauer. Es ist ferner eine Einrichtung zur Messung des

ίο statischen Druckes bekannt geworden, bei der der Sondenkörper mit einem vorderen zylindrischen Abschnitt, einem nachfolgenden konischen und einen daran anschließenden Abschnitt versehen ist, wobei der erste zylindrische Abschnitt die Druckentnahmeöffnungen für die Messung des statischen Druckes aufweist. Die besondere Ausbildung dieser Sonde besteht in der Neigung der Längsachsen der Druckentnahmeöffnungen gegen die Längs- bzw. Quervertikalebene. Diese Anordnung der Druckentnahmeöffnungen soll zur Kompensation großer Anstellwinkel, d. h. zur Konstanthaltung des statischen Druckes über einen größeren Anstellwinkelbereich, beitragen. Mit der bekannten Anordnung der Druckentnahmeöffnungen am vordersten zylindrischen Abschnitt des Sondenkörpers ist jedoch auf eine Kompensation der Verfälschung des statischen Druckes, hervorgerufen durch Störungen der Strömung, keine Rücksicht genommen und ein Ausgleich dieses Fehlers nicht möglich.

Eine weitere bekannte Einrichtung zur Ermittlung

statischer Strömungsmitteldrücke geht von einer Sonde aus, die an ihrem Ende mittels einer seitlichen Tragstrebe in einem Abstand von einer in der Strömung liegenden Fläche oder Körper gehalten ist. Bei dieser, wie bereits erwähnt, auch als Prandtlsches Staurohr bekannten Meßeinrichtung, sind Maßnahmen getroffen, mittels derer der durch die Tragkonstruktion bzw. die Tragstrebe hervorgerufene Fehler ausgeglichen werden soll. Dazu ist die Sonde stromauf vor der Tragstrebe so ausgebildet, daß sich zwischen zwei zylindrischen Abschnitten ein konischer Abschnitt befindet, wobei die Druckentnahmeöffnungen im Bereich dieser Abschnitte vorgesehen sind. Stromauf ist den genannten Abschnitten ein sich von der Vorderkante der Sonde ogivalförmig verstärkender Abschnitt vorangesetzt. Die Druckentnahmeöffnungen sollen dabei in einem Strömungsbereich mit positivem Druck liegen.

Es ist außerdem eine Einrichtung zur Aufnahme einer Anzahl aerodynamischer Variabler, beispielsweise des Anstellwinkeis, des Schiebewinkels und der angezeigten Geschwindigkeit (IAS) bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung ist am vorderen, in die Strömung ragenden Ende eines am Flugobjekt befestigten, abgestuft ausgebildeten Stiels ein kugelförmiger Sondenkopf mit zylindrischen, sich radial erstreckenden Sonden an geordnet. An einem der abgestuft ausgebildeten Abschnitte des Stiels sind ferner öffnungen für die Entnahme des statischen Druckes vorgesehen.

Durch den kugelförmigen Sondenkopf wird die Strömung jedoch in einer Weise gestört, daß bei einer Druckentnahme in einem größenmäßig realisierbaren Abstand vom Kugelkopf eine Rückführung der Verfäl· schung des statischen Druckes nicht mehr möglich ist. Der durch die Umströmung des Flugobjekts und außerdem durch den kegelförmigen Sondenkopf ver fälschte statische Druck kann nicht mehr dem im Unendlichen herrschenden Druck angeglichen, d. h. kompensiert, werden. Gegenüber den bekannten Meßeinrichtungen ist es

Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungssonde zu schaffen, mit der sowohl der statische Druck als auch der Gesamtdruck und somit der dynamische Druck weitgehend unabhängig von den EinfluQgröQen, nämlich der Mach-Zahl und Reynolds-Zahl, gemessen werden kann bzw. eine Strömungssonde so auszubilden, daß störende Einflüsse infolge von Strömungsrichtungsänderungen ohne Wirkung bleiben.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zweite oder weitere stromab anschließende zylindrische Abschnitt die Entnahmeöffnungen für die Messung des statischen Druckes enthält. Mit einer derartigen Ausbildung der Strömungssonde wird erreicht, daß die statische- und Gesamtdruckentnahme unabhängig von Einflüssen der Mach-Zahi und Reynolds-Zahl ist, da mit den verschiedenen Abschnitten definierte verzögerte und beschleunigte Strömungszustände und damit über einen großen Geschwindigkeitsbereich konstante Bedingungen an der Meßstrecke entstehen. Durch den vorderen Abschnitt der Strömungssonde wird verhindert, daß ein Abreißen der Strömung bei größeren Richtungsänderungen ^:n weiten Geschwindigkeitsbereichen eintreten kann. Daraus ergibt sich, daß sowohl die Gesamtdruck- als auch die statische Druckentnahme in weiten Geschwindigkeitsbereichen richtungsunabhängig wird. Durch die Ausbildung und Anordnung der einzelnen Meßstrecken und Druckentnahmen zueinander und in Verbindung mit den scharfkantigen Übergängen vom einen zum anderen Abschnitt werden definierte Strömungszustände mit einer turbulenten Grenzschichtströmung innerhalb sämtlicher vorkommenden Geschwindigkeitsbereiche gewährleistet.

Durch den ersten zylindrischen Abschnitt der Strömungssonde wird die Strömung ausgehend von der Sondenvorderkante vom Wert »0« so beschleunigt, daß an dem sich anschließenden konischen Abschnitt die Strömung auf die gewünschte definierte Kompensationsgeschwindigkeit gebracht ist. Wesentlich dabei ist, daß die Druckentnahmeöffrtungen für die Messung des statischen Druckes an einem an den konischen Abschnitt anschließenden zweiten oder weiteren zylindrischen Abschnitt vorgesehen sind. Eine turbulente Grenzschichtstnjmung wird durch den scharfkantigen Übergang vom konischen zum zweiten zylindrischen Abschnitt erzielt. Daraus ergibt sich, daß sich an dem die Druckentnahmeöffnungen für die Messung des statischen Druckes enthaltenden zylindrischen Abschnitt ein großer axialer Bereich, bezogen auf die Längserstreckung der Sonde, mit annähernd linearer Druckverteilung einstellt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht ein Merkmal darin, daß der Durchmesser des vorderen zylindrischen Abschnittes der Strömungssonde mindestens um die Hälfie des Durchmessers des hinteren zylindrischen Abschnitts geringer bemessen ist. Dedurch wird erreicht, daß die am Staupunkt der Sonde auf den Wert »0« verzögerte Strömung möglichst rasch, ohne abzureißen auf den zu simulierenden Wen beschleunigt wird.

In der Zeichnung ist die Ausführung einer Sonde gemäß der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt die Strömungssonde in Seitenansicht, teilweise längsgeschnitten dargestellt,

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Sonde nach der Linie U-Il der F ig. 1.

In F i g. 1 und 2 ist mit 1 die Strömungssonde, mit 2 der flugzeugfeste Haltemast und mit 3 das Ringleitwerk an der Strömungssonde 1 bezeichnet Die Außenkonturder Sonde 1 in bezug auf die Längserstreckung ist unterteilt in die Abschnitte 5,6,7 und 8, von denen der Abschnitt 5 und der Abschnitt 7 die Meßstrecken bilden. Die Übergänge vom einen zum anderen der Abschnitte 5,6, 7 und 8 sind ais scharfe Kanten 9,10 und 11 ausgebildet. In bekannter Weise enthält die Sonde 1 eine für die Gesamtdruckinessung dienende axiale Bohrung 13, deren öffnung 15 an der vorderen Stirnseite der Sonde 1 gegen Anströmrichtung weist. Mit der Außenkontur des vorderen Abschnittes 5 und der !-«jhrung 13 ist eine weitere Kante 4 gebildet Innerhalb der axialen Bohrung 13 der Strömungssonde 1 ist das Meßrohr 12 für die Gesamtdruckmessung angeordnet. Ferner ist innerhalb

.?5 der Bohrung 13 das Meßrohr 14 für die Entnahme des statisch!;-.! Druckes untergebracht. Die beiden Rohre 12 und 14 sind in bekannter Weise an einen Differenzdruckmesser bzw. einen Absolutdruckmesser angeschlossen, der hier jedoch nicht dargestellt ist. Am

J« Abschnitt 7 der Sonde 1 sind radial gerichtete, auf den Umfang verteilte Bohrungen 16 angeordnet, die zur Messung des statischen Druckes dienen und mit dem statischen Msßrohr 14 und dem hier nicht dargestellten Differenzdruckmesser zusammenwirken.

Die Wirkungsweise der Sonde in bezug auf die Messung des Gesamtdmckes und des statischen Druckes ist wie folgt:

Bei der Anströmung der beschriebenen Sonde I wird an der Kante 4 eine turbulente Grenzschichtstrwnung

■so für den vorderen zylindrischen Abschnitt 5 erzielt. Diese Strömung wird durch die Kanten 9,10 und 11 längs der gesamten Sonde aufrechterhalten. Entlang des konischen Abschnittes 6 wird die Strömung beschleunigt und dadurch der an der endlichen Sonde entstandene Strömungsaufbau im wesentlichen kompensiert. Der nachfolgende zylindrische Abschnitt 7 stellt somit eine scheinbar unendliche Meßstrecke dar, an der der wahre statische Druck über einen großen Geschwindigkeitsbereich konstant ist und über die öffnungen 16

so entnommen werden kann. Daraus folgt, daß der Lage und Größe der statischen Druckentnahmeöffnungen 16 nur eine untergeordnete Bedeutung zukommt. Mittels der Lage und Steilheit des zweiten konischen Abschnittes 8 'assen sich die durch den Sondenträger, z. B. ein Fluggerät, hervorgerufenen Strömungsbeeinflussungen kompensieren. Damit wird die Strömung an der Sonde in bestimmter Weise von der verwendeten Fluggerätekonfiguration unabhängig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Strömungssonde zur Messung des statischen Druckes und des Gesamtdruckes für die Anbringung in einem Abstand von einem Luftfahrzeug, wobei die Sonde ausgehend von ihrer Vorderkante in Richtung stromab einen zylindrischen Abschnitt mit einem nachfolgenden konischen und einem daran anschließenden zweiten oder weiteren zylindrischen Abschnitt, mit scharfkantigen Übergängen von einem zum anderen Abschnitt und Druckentnahmeöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite oder weitere stromab anschließende zylindrische Abschnitt (7) die Entnahmeöffnungen (16) für die Messung des statischen Druckes enthält.

2. Strömungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des vorderen Abschnittes (5) der Strömungssonde (1) mindestens um die Hälfte des Durchmessers des zweiten oder weiteren Abschnittes (7) geringer bemessen ist.