DE3609541A1 - Verminderten stroemungswiderstand durch herabgesetzte wandschubspannung aufweisende oberflaeche eines turbolent ueberstroemten koerpers - Google Patents
Verminderten stroemungswiderstand durch herabgesetzte wandschubspannung aufweisende oberflaeche eines turbolent ueberstroemten koerpersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine verminderten
Strömungswiderstand durch herabgesetzte
Wandschubspannung aufweisende Oberfläche eines
turbulent überströmten Körpers, mit in
Strömungsrichtung verlaufenden Rillen, die durch
scharfkantig ausgebildete Rippen voneinander getrennt
sind. Diese feinen Rippen vermindern den
Strömungswiderstand bei turbulenter Strömung an der
Oberfläche. Die Widerstandsverminderung wird durch
Herabsetzung der turbulenten Wandschubspannung
erreicht.
Eine Oberfläche der eingangs beschriebenen Art ist aus
Walsh, M. J.: Turbulent boundary layer drag reduction
using riblets, AIAA-Paper 82-0169 (1982) bekannt. Die
dabei eingesetzten widerstandsvermindernden Rippen
erstrecken sich jedoch über eine sehr große Länge
in Strömungsrichtung. Sofern die Rippen in geeignetem
gegenseitigen Abstand und mit scharfkantiger Form
ihrer Oberkante ausgebildet werden, ist es möglich,
hierdurch eine Verminderung der turbulenten
Wandschubspannung von ca. 7 bis 8% zu erreichen.
Gemäß einer früheren Anmeldung (P 34 41 554.8-53)
ist bereits vorgeschlagen worden, die Oberfläche aus
einer Vielzahl von Einzelelementen zusammenzusetzen,
die auf ihrer der Strömung zugekehrten Seite Rippen
und Rillen aufweisen. Dabei sind die Einzelelemente
relativ zueinander so angeordnet und/oder ausgebildet,
daß auf der der Strömung zugekehrten Seite Schlitze
entstehen. Die Schlitze sind durch unterhalb der der
Strömung zugekehrten Oberfläche der Einzelelemente
angeordnete Kanäle miteinander verbunden. Die
Einzelelemente sind so angeordnet, daß die Rillen und
Rippen der verschiedenen Elemente in Strömungsrichtung
hintereinander miteinander fluchten.
Weiterhin ist es aus Kline, S. J./Reynolds, W. C.,
Schraub, F. A./Runstadler, P. W.: The structure of
turbulent boundary layers, J. Fluid Mech, 30, 4, (1967),
S. 741-773 bekannt, daß sich in der wandnahen Schicht
einer turbulenten Grenzschicht Streifen geringer
Strömungsgeschwindigkeit ("langsame Streifen" = "low
speed streaks") bilden, die sich in Strömungsrichtung
erstrecken (s. Fig. 1). Diese sind auf langsam
rotierende Längswirbel zurückzuführen, die stark
abgebremstes Fluid von der Wand in die Strömung
transportieren. Die Längswirbel sind in Jang, P. S./
Benney, D. J./Gran, R. L.: On the origin of streamwise
vortices in an turbulent boundary layer, Report DT-
8154-06 (1985), Dynamics Technology Inc., 21311
Hawthorne Blvd., Torrance, California 90503, USA, als
eine Strömungsresonanz der wandnahen Schicht erklärt
worden. Die Wellenlänge λ z quer zur Strömungsrichtung
entspricht dem doppelten Abstand der einzelnen
gegenläufigen Längswirbel (s. Fig. 1). Diese
Längswirbel haben auch eine Wellenlänge g x in
Strömungsrichtung, die jedoch erheblich größer als
der seitliche Wirbelabstand ist. Die typischen
Dimensionen sind λ≈ 90 und g. λ⁺ ist eine
dimensionslose Länge, mit der Definition
Dabei ist t o die Wandschubspannung der ungestörten
turbulenten Grenzschichtströmung über einer glatten
Platte. ρ ist die Dichte des Fluids und ν die
kinematische Zähigkeit. Nach einigen Experimenten
liegt λ möglicherweise noch höher als die angegebenen
Werte.
Die Wirkung der Längsrippen beruht darauf, daß die
Strömung der Längswirbel quer zur
Hauptströmungsrichtung behindert wird. Als Folge
werden die "langsamen Streifen" weniger intensiv, die
Strömung bleibt stabiler und der Turbulenzgrad nimmt
ab (Hooshmand, D./Youngs, R./Wallace, J. M.: An
experimental study of changes in the structure of a
turbulent boundary layer due to surface geometry
changes, AIAA-Paper 83-0230 (1983)). Insgesamt führt
dies zu einer Verringerung der turbulenten
Wandschubspannung, die bekanntlich auf dem
Impulsaustausch der turbulenten Strömung beruht. Die
Längsrippen wirken aber nur optimal, wenn sie sehr
scharkantig sind und wenn ihr seitlicher Abstand in
der Größenordnung des halben Längswirbelabstandes
oder darunter liegt. Damit ergibt sich ein
Rippenabstand s, der um s⁺≈λ/4 ≈ 22 oder darunter
liegen sollte. In der Tat zeigen auch alle Messungen
mit Rippenoberflächen, die eine Widerstandsverminderung
erbracht haben, etwa diese Dimension des Rippenabstands
(Walsh, M. J.: Turbulent boundary layer drag reduction
using riblets, AIAA-Paper 82-0169 (1982)). Dieser
Rippenabstand ist meist sehr klein und liegt z. B.
für eine Anwendung an einem Verkehrsflugzeug bei ca.
0,05 mm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Oberfläche der eingangs beschriebenen Art derart
weiterzubilden, daß der Strömungswiderstand bei
turbulenter Überströmung noch weiter herabgesetzt
wird. Darüberhinaus muß diese Oberflächenform so
ausgebildet sein, daß sich die Oberfläche auch
vergleichsweise einfach fertigen läßt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die
Rippen in einer Vielzahl von Staffeln vorgesehen sind,
daß jede Rippen-Staffel aus einer Vielzahl quer oder
schräg zur Strömungsrichtung nebeneinander im Abstand
angeordneter Rippen besteht, daß die Rippen in
Strömungsrichtung aufeinanderfolgender Rippen-Staffeln
seitlich zur Strömungsrichtung gegeneinander versetzt
angeordnet sind, und daß die Rippen der einzelnen
Rippen-Staffeln kurze Erstreckungen in Strömungsrichtung
aufweisen. Im allgemeinen sind die einzelnen Rippen
jeder Rippen-Staffel auch gleichlang; dies muß jedoch
nicht so sein. Wesentliches Merkmal ist die gestaffelte
Anordnung der Rippen, also die Anordnung mehrerer
Rippen-Staffeln, die jeweils von Staffel zu Staffel in
Strömungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet
sind. Selbstverständlich müssen die Rippen scharfkantig
ausgebildet sein und die geometrischen Bedingungen,
wie sie nachfolgend noch erläutert werden, müssen
eingehalten werden.
Die Behinderung der Querströmung der Längswirbel hängt
auch davon ab, wieweit die Rippen senkrecht zur Wand
in die Strömung hineinragen. Dieses Hineinragen kann
aber, wie eigene Rechnungen und Messungen gezeigt
haben, nicht beliebig dadurch gesteigert werden, daß
die Rippen höher gemacht werden. Die maßgebende
Eindringtiefe ist durch den Abstand zwischen
Rippenoberkante und dem "virtuellen Nullpunkt" der
zähen wandnahen Strömung gegeben. Der virtuelle
Nullpunkt ist so definiert: Ersetzt man die gerippte
Oberfläche durch eine glatte Oberfläche in der Höhe
des virtuellen Nullpunkts, so ergibt sich über der
glatten Oberfläche die gleiche mittlere zähe
Strömung wie etwas oberhalb der Rippen der gerippten
Oberfläche. Der virtuelle Nullpunkt befindet sich
naturgemäß zwischen der Rippenoberkante und dem
Rillenboden zwischen den Rippen. Der virtuelle
Nullpunkt läßt sich auch als der Schwerpunkt der
Schubspannung an der gerippten Oberfläche auffassen.
Als "Eindringtiefe" d wird der Höhenunterschied
zwischen Rippenoberkante und virtuellem Nullpunkt
bezeichnet. Die Eindringtiefe d der Rippen ist für die
Beeinflussung der Längswirbel-Querströmung die
maßgebliche Größe.
Die Berechnung der zähen Strömung um lange Rippen
zeigt, daß die Eindringtiefe d nicht über 22,1% des
Rippenabstandes s gesteigert werden kann. Der
angegebene Grenzwert
wurde sowohl
analytisch ermittelt als auch experimentell überprüft.
Dieser Grenzwert kann nicht durch hohe Rippen oder
irgendwelche Formvarianten der langen Rippen verändert
werden. Aus diesem Grenzwert errechnet sich mit den
vorherigen Überlegungen (also s⁺ ≈ 22) eine
dimensionslose Eindringstiefe von maximal d⁺ ≈ 5. Dieses
begrenzt die Einflußmöglichkeit auf eine solche
Längswirbelströmung, deren Wirbelkerne wesentlich
höher über der Oberfläche liegen, nämlich etwa bei
einer dimensionslosen Höhe von y⁺ ≈ 35. Damit erklärt
sich auch die Begrenzung auf die bisher erzielte
Widerstandsverminderung.
Die einzige Möglichkeit, die Eindringtiefe und damit
die Widerstandsverminderung zu vergrößern, ist eine
radikale Abkehr von langen Rippen. Die einzelnen Rippen
bzw. Rippen-Staffeln müssen in Strömungsrichtung kurz
ausgebildet sein und es ist ein seitlicher Versatz von
Rippen-Staffeln zu in Strömungsrichtung nachfolgender
Rippen-Staffeln erforderlich. Durch diesen Versatz
können die Rippen effektiv vergleichsweise doppelt
soweit seitlich auseinandergerückt werden. Man erhält
die doppelte Eindringtiefe. Andererseits ist die
versetzte Anordnung der Rippen auch geeignet, die
Ausbildung von Längswirbeln zu verhindern, wenn die
Rippen und der nachfolgende Zwischenraum kürzer als
die Wellenlänge in Strömungsrichtung g x sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rippen in
Strömungsrichtung aufeinanderfolgender Rippen-Staffeln
um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt
angeordnet sind, so daß auf eine Rille zwischen zwei
Rippen einer Rippen-Staffel in Strömungsrichtung eine
Rippe und umgekehrt folgt. Die Rippen können rechteckig
begrenzt sein, wobei sich die Eindringtiefe etwa
verdoppelt. Es ist aber auch möglich, daß die
entgegengesetzt zur Strömungsrichtung ausgerichteten
Enden der Rippen abgeschrägt oder abgerundet
ausgebildet sind. Die Eintrittskanten der Rippen sind
also abgeschrägt oder abgerundet. Eine solche
kreisabschnitt- oder flossenförmige Rippenstruktur
erscheint strömungsmechanisch noch günstiger und
ermöglicht noch höhere Eindringtiefen. Damit ist es
möglich, die 8%-Grenzen der Widerstandsverminderung
aus dem Stand der Technik noch weiter zu unterschreiten.
Der Fachmann würde vermuten, daß die Aufteilung einer
Rippe in eine Vielzahl von gestaffelten Rippen
unausweichlich eine Widerstandserhöhung bringen würde.
In einer normalen Parallelströmung mit konstanter
Geschwindigkeit wäre das auch der Fall. In einer
viskosen wandnahen Strömung läßt sich jedoch schon
mit einer relativ einfachen Rechnung zeigen, daß hier
kein ungünstiger Effekt auftritt. Technologisch
bleiben die Vorteile bisheriger Rillenoberflächen
erhalten.
Der dimensionslose Abstand der Rippen voneinander in
einer Rippen-Staffel sollte in einer Größenordnung
von etwa s⁺ = 10 . . . 45 liegen. In einer typischen
Anwendung bei einem Verkehrsflugzeug würde damit der
Rippenabstand ca. 0,1 mm betragen.
Die Erstreckung der Rippen der einzelnen Rippen-
Staffeln in Strömungsrichtung entspricht etwa ein
bis sechs Rillenbreiten. Die gestaffelten Rippen
können auch verschiedene Längen aufweisen und sie
können sich auch teilweise überlappen. Auch eine
schräge Anordnung zur Strömungsrichtung der Rippen bzw.
Rippen-Staffeln ist möglich, wobei die einzelne Rippe
aber in Strömungsrichtung angeordnet sein muß. Die
Rippen lassen sich sämtlich relativ einfach durch
Warmwalzen oder Gießen von Plastikfolien herstellen.
Solche Plastikfolien können dann auf die Oberfläche
z. B. eines Flugzeugs aufgeklebt werden.
Weiterhin ist es möglich, die erfindungsgemäße
gestaffelte Anordnung der Rippen mit anderen bekannten
widerstandsvermindernden Maßnahmen zu kombinieren.
Beispielsweise ist eine Kombination mit unter der
Oberfläche verbundenen Schlitzen möglich, deren
Austrittsöffnungen in Strömungsrichtung weisen.
Weiterhin ist die Kombination mit in die turbulente
Grenzschicht eingebrachten Gleichrichtungs-Flügeln
gemäß Anders, J. B./Watson, R. D.: Airfoil large-eddy
breakup devices for turbulent drag reduction, AIAA-
Paper 85-0520 (1985) möglich, die ebenfalls für sich
und in der Kombination dann zu einer verstärkten
Verminderung der turbulenten Wandschubspannung
führen.
Verschiedene Ausführungsbeispiele und Darstellungen
zur Verdeutlichung der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im Folgenden beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 die Darstellung von Streifen geringerer
Strömungsgeschwindigkeit in einer
wandnahen Schicht infolge Auftretens von
Längswirbeln,
Fig. 2 die Verdeutlichung einiger geometrischer
Größen,
Fig. 3 eine erste Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Oberfläche mit
gestaffelt angeordneten Rippen,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform mit
gestaffelten Rippen in Kreisabschnittform,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der
Oberfläche mit gestaffelten Rippen in
Flossenform,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine weitere
Ausführungsform der Oberfläche mit
unterschiedlich langen Rippen-Staffeln,
Fig. 7 eine Ausführungsform mit relativ großer
Überlappung der Rippen-Staffeln,
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Rippen-
Staffeln und
Fig. 9 eine letzte Ausführungsform der Rippen-
Staffeln mit Schräganordnung.
In Fig. 1 ist die aus dem Stand der Technik bekannte
Tatsache dargestellt, daß sich über einer Oberfläche
(1) einer Platte (2) in Strömungsrichtung (3) in der
wandnahen Schicht einer turbulenten Grenzschicht
Streifen geringerer Strömungsgeschwindigkeit ausbilden.
Es handelt sich hierbei um langsam rotierende
Längswirbel (4), die gegenläufig rotieren und stark
abgebremstes Fluid von der Oberfläche (1) in die
Strömung transportieren. Die Wellenlänge λ z quer zur
Strömungsrichtung entspricht dem doppelten Abstand
der einzelnen gegenläufigen Längswirbel (4). Die
Längswirbel (4) haben auch eine Wellenlänge λ x in
Strömungsrichtung, die jedoch erheblich größer ist als
der seitliche Wirbelabstand.
In Fig. 2 ist in starker Vergrößerung ein Teil einer
Rippen-Staffel der erfindungsgemäßen Oberfläche
dargestellt, um einige Größen zu verdeutlichen. Von
der Oberfläche (1) ragen einzelne Rippen (5), die
der Strömung zugekehrt durch scharfe Kanten (6)
begrenzt sind, parallel zueinander ausgerichtet und
parallel zur Strömungsrichtung angeordnet vor. Es ist
nicht schädlich, wenn die Rippen (5) am Fuß, d. h. an
der Übergangsstelle zu der Oberfläche (1) abgerundet
ausgebildet sind. Die Rippen (5) besitzen eine relativ
kurze Erstreckung parallel zur Strömungsrichtung. Der
Rippenabstand s ist die Entfernung zweier, in einer
Rippen-Staffel benachbarter Rippen (5), gemessen quer
zur Strömungsrichtung. Es ist außerdem der virtuelle Nullpunkt
(7) der zähen wandnahen Strömung eingezeichnet. Dieser
virtuelle Nullpunkt (7) liegt in einer Eindringtiefe d
von der Ebene der Kanten (6) in Richtung auf die
Oberfläche (1). Es sind zwei Geschwindigkeitsprofile
dargestellt, und zwar an der Stelle der Rippe (5) und
einer dazwischenliegenden Rille (8). Die
Geschwindigkeitsverteilungen sind als zeitliche
Mittelwerte zu verstehen.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausbildungsform der Oberfläche
(1) mit den Rippen (5), die hier Rechteckform besitzen.
Die ersten quer zur Strömungsrichtung (3) angeordneten
Rippen (5) bilden eine Rippen-Staffel (9). Die in
Strömungsrichtung (3) nachfolgenden Rippen (5) bilden
eine Rippen-Staffel (10) usw. Es ist ersichtlich, daß
die in Strömungsrichtung (3) aufeinanderfolgenden
Rippen-Staffeln (9, 10 usw.) jeweils seitlich
gegeneinander versetzt angeordnet sind, insbesondere um
eine halbe Teilung.
Fig. 4 zeigt eine weitere Darstellung in
perspektivischer Ansicht. Auch hier ergänzen quer zur
Strömungsrichtung nebeneinander angeordnete Rippen (5)
sich zu den verschiedenen Rippen-Staffeln (9, 10 usw.).
Die einzelnen Rippen bestehen hier aus einer
Kreisabschnittform, sind also abgerundet ausgebildet.
Fig. 5 zeigt die Anordnung von Rippen (5) in
Flossenform, wobei jede Rippe (5) auf ihrer der
Strömung zugekehrten Seite mit geringer Höhe beginnt.
Auch hier ist der seitliche Versatz der Rippen
gegeneinander ersichtlich.
Wie Fig. 6 zu erkennen gibt, die eine Draufsicht auf
eine weitere Ausführungsform zeigt, müssen die einzelnen
Rippen (5) der Rippen-Staffeln (9, 10 usw.) nicht
unbedingt gleich lang ausgebildet sein. Die Rippen (5)
je einer Rippen-Staffel sind
untereinander gleich lang. Die Rippen unterschiedlicher
Rippen-Staffeln können jedoch durchaus unterschiedliche
Länge aufweisen. Es ist auch möglich, wie in Fig. 7
dargestellt, daß sich die einzelnen Rippen (5) der
verschiedenen Rippen-Staffeln (9, 10 usw.) überlappen.
Die Rippen-Staffeln (9, 10 usw.) sind hier quer zur
Strömungsrichtung (3) ausgerichtet angeordnet.
Die Ausführungsbeispiele der Fig. 8 und 9 zeigen
schräg zur Strömungsrichtung (3) gestaffelte Rippen
(5), wobei die Rippen (5) gemäß Figur (8) die
dargestellte Form aufweisen können, also vorn und
hinten zugespitzt sind. Selbstverständlich weisen die
Rippen (5) bei allen Ausführungsbeispielen die anhand
von Fig. 2 verdeutlichten scharfen Kanten (6) auf,
und zwar an ihrem in die Strömung hineinragenden Ende.
Bei allen bisher dargestellten Ausführungsformen sind
die Rippen in Strömungsrichtung aufeinanderfolgender
Rippen-Staffeln (9, 10 usw.) um eine halbe Teilung
gegeneinander versetzt. Fig. 9 zeigt eine
Ausführungsform mit schräg gestaffelten Rippen, bei
denen der seitliche Versatz nicht unbedingt eine halbe
Teilung betragen muß. Der Versatz kann hier im
Verhältnis 1/3-2/3 aufgeteilt sein. Auch muß die
Länge der Rippen in einer Rippen-Staffel nicht
unbedingt konstant sein.
- Bezugszeichenliste:
1 = Oberfläche
2 = Platte
3 = Strömungsrichtung
4 = Längswirbel
5 = Rippe
6 = Kante
7 = virtueller Nullpunkt
8 = Rille
9 = Rippen-Staffel
10 = Rippen-Staffel
Claims (5)
1. Verminderten Strömungswiderstand durch herabgesetzte
Wandschubspannung aufweisende Oberfläche eines
turbulent überströmten Körpers, mit in
Strömungsrichtung verlaufenden Rillen, die durch
scharfkantig ausgebildete Rippen voneinander getrennt
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (5) in
einer Vielzahl von Staffel (9, 10 usw.) vorgesehen
sind, daß jede Rippen-Staffel (9, 10 usw.) aus einer
Vielzahl quer oder schräg zur
Strömungsrichtung nebeneinander im Abstand s
angeordneter Rippen (5) besteht, daß die Rippen in
Strömungsrichtung aufeinanderfolgender Rippen-
Staffeln) 9, 10 usw.) seitlich zur Strömungsrichtung
gegeneinander versetzt angeordnet sind, und daß die
Rippen der einzelnen Rippen-Staffeln kurze
Erstreckungen in Strömungsrichtung (3) aufweisen.
2. Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippen (5) in Strömungsrichtung (3)
aufeinanderfolgender Rippen-Staffeln (9, 10 usw.)
um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt
angeordnet sind.
3. Oberfläche nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die entgegengesetzt zur
Strömungsrichtung (3) angeordneten Enden der
Rippen (5) abgeschrägt oder abgerundet ausgebildet
sind.
4. Oberfläche nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der dimensionslose Abstand s⁺
der Rippen (5) voneinander in einer Rippen-Staffel
(9) in der Größenordnung s⁺ = 10 . . . 45 liegt.
5. Oberfläche nach Anspruch 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erstreckung der Rippen (5)
der einzelnen Rippen-Staffeln (9, 10 usw.) in
Strömungsrichtung (3) etwa 1 bis 6 Rillenbreiten
entspricht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863609541 DE3609541A1 (de) | 1986-03-21 | 1986-03-21 | Verminderten stroemungswiderstand durch herabgesetzte wandschubspannung aufweisende oberflaeche eines turbolent ueberstroemten koerpers |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19863609541 DE3609541A1 (de) | 1986-03-21 | 1986-03-21 | Verminderten stroemungswiderstand durch herabgesetzte wandschubspannung aufweisende oberflaeche eines turbolent ueberstroemten koerpers |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3609541A1 true DE3609541A1 (de) | 1987-09-24 |
DE3609541C2 DE3609541C2 (de) | 1988-12-01 |
Family
ID=6296929
Family Applications (1)
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DE19863609541 Granted DE3609541A1 (de) | 1986-03-21 | 1986-03-21 | Verminderten stroemungswiderstand durch herabgesetzte wandschubspannung aufweisende oberflaeche eines turbolent ueberstroemten koerpers |
Country Status (1)
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DE (1) | DE3609541A1 (de) |
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