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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung eines aerodynamischen
Bauteils in einer Strömung,
die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist
und in der eine Kante, an der zwei Hauptfläche des Bauteils aneinander
stoßen
und die Strömung
teilen oder zwei getrennte Teilströme zu der Strömung zusammenführen, turbulent überströmt wird.
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Bei
der turbulent überströmten Kante
handelt es sich insbesondere um eine Hinter- oder Abströmkante des
aerodynamischen Bauteils; es kann sich aber auch um eine turbulent überströmte Seiten- oder
sogar eine turbulent überströmte Vorder-
oder Zuströmkante
des Bauteils handeln.
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An
der Kante stoßen
zwei Hauptflächen
des Bauteils aneinander. Bei diesen Hauptflächen handelt es sich in der
Regel um eine Überdruckseite
und eine Unterdruckseite des Bauteils. Die vorliegende Erfindung
ist aber auch dann anwendbar, wenn keine Druckunterschiede vorliegen.
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Konkret
geht es bei der vorliegenden Erfindung um die Minderung der Schallabstrahlung
von aerodynamischen Bauteilen, bei denen Kanten turbulent überströmt werden.
Unter einer Kante eines aerodynamischen Bauteils wird ein knickartiges
Geometrieelement an dem umströmten
aerodynamischen Bauteil verstanden, das scharfkantig, stumpf oder
abgerundet sein kann und an dem zwei Hauptflächen des Bauteils derart aneinander
stoßen,
dass eine Strömung
geteilt oder zwei getrennte Teilströme zu einer Strömung zusammengeführt werden.
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STAND DER TECHNIK
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Der
von turbulent überströmten Hinterkanten aerodynamisch
erzeugte Schall stellt einen ganz wesentlichen Anteil der Schallabstrahlung
von umströmten
aerodynamischen Bauteilen dar. Diese Hinterkantengeräusche produzieren
dominante Lärmanteile
etwa bei Hochauftriebsklappen an Flugzeugtragflügeln, Lüfterblättern, Windkraftanlagen usw.
Die physikalischen Zusammenhänge
bei der Entstehung von Hinterkantengeräuschen sind erstmals von Ffowcs-Williams,
J. E.; Hall, L. H.: ”Aerodynamic sound
generation by turbulent flow in the vicinity of a scattering half
plane”,
J. Fluid Mech. (1970); vol. 40, part 4, S. 657–670 theoretisch beschrieben
worden. Die Intensität
des an der Hinterkante entstehenden Schalls ist danach einerseits
abhängig
von der Intensität
der turbulenten Geschwindigkeitsschwankung in der unmittelbaren
Nähe der
Hinterkante. Andererseits bestimmt auch die Ausgestaltung der Hinterkante
selbst den Grad der Umsetzung von turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen
in Schall.
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In
der
EP 1 314 642 B1 ist
offenbart, dass durch eine an der Hinterkante angebrachte Bürstenreihe
eine erhebliche Lärmminderung
erreicht werden kann, wenn die einzelnen Borsten der Bürstenreihe
entlang der Hauptströmung
ausgerichtet sind und nach stromab von der Hinterkante weisen. Detaillierte
Parameterstudien hierzu sind von Herr, M., and Dobrzynski, W.: ”Experimental
Investigations in Low-Noise Trailing-Edge Design”, AIAA-Journal, 43, 6, (2005),
S. 1167–1175,
Juni 2005 durchgeführt
worden. Insbesondere haben auch nicht flexible Borsten einen Minderungserfolg
erbracht. Die Hauptwirkung der Borsten wird in einer graduellen
Dämpfung
der turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen in Strömungsrichtung
vermutet. Eine ähnliche
Lärmminderung
ist auch mit Bauteilen, die zumindest teilweise aus porösen Materialien
ausgeführt
worden, wie etwa an der Landeklappenseitenkante oder der turbulent
angeströmten
Klappenvorderkante erreicht worden.
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Bedingte
Erfolge wurden auch mit gezackten Hinterkanten, wie sie aus der
US 5 088 665 A bekannt
sind, erzielt.
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Eine
Anordnung eines aerodynamischen Bauteils in einer Strömung mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der
EP 1 112 928 A2 bekannt.
Hier ist die Hinterkante gegenüber
dem in Strömungsrichtung
davor liegenden Profil des Bauteils zur Unterdruckseite hin abgewinkelt oder
verdickt. Im Bereich der Verdickung sind von der Unterdruckseite
her Schlitze eingebracht. Die Länge der
Schlitze soll etwa 3% bis 5% der Profiltiefe des aerodynamischen
Bauteils nicht übersteigen.
Der Anteil der Schlitztiefe in Bezug auf die Höhe der Hinterkante soll der
Wirbelbildung entsprechend abgepasst werden und ein Maß von etwa
8% der Profiltiefe nicht übersteigen.
Die Schlitze sind längs
der Profilkante in vergleichsweise großen Abständen vorgesehen und ihrerseits
auch vergleichsweise breit. Zur Reduzierung von turbulenzbedingten
Kantengeräuschen
ist diese Anordnung allerdings weder vorgesehen noch geeignet. Aus
der
EP 1 112 928 A2 sind auch
aerodynamische Bauteile bekannt, bei denen im Bereich der verdickten
Hinterkannte makroskopische Schlitze vorgesehen sind, die in Querrichtung überströmt werden.
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Aus
der
DE 1 169 303 B ist
eine Quertriebsfläche,
insbesondere Auftriebsfläche
für Luftfahrzeuge,
mit Schlitzen bekannt. Bei den Schlitzen handelt es sich um solche,
die z. B. bei Anordnung von Vorflügeln oder Klappen gebildet
werden und die sich in Spannweitenrichtung erstrecken. Es handelt
sich damit um makroskopische Schlitze, die quer zur Überströmung der
Quertriebsfläche
ausgerichtet sind. Die Schlitzweite der Schlitze nimmt von der Druckseite der
Quertriebsfläche
auf deren Saugseite hin ab. Die und auf der Druckseite liegenden
Einströmöffnungen der
Schlitze sind wenigstens über
einen Teil ihrer in Spannweitenrichtung verlaufenden Erstreckung durch
eine perforierte Fläche
abgedeckt, deren Öffnungen
einen Querschnitt freigeben, der flächenmäßig größer als der Querschnitt der
zugehörigen
Ausströmöffnung der
Schlitze ist.
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Aus
der
DE 434 540 A ist
ein Flugzeugtragflügel
mit senkrecht zu den hinteren und seitlichen Rändern angeordneten Schlitzen
bekannt. Die von festem Material gebildeten Schlitze weisen einen sich
verjüngenden
Querschnitt auf und verlaufen am hinteren Rande des Flugzeugtragflügels von
der Mitte unten nach den seitlichen Flügelenden hin oben parallel
zur Flugrichtung und an den seitlichen Flügelenden von hinten unten nach
vorn oben senkrecht zur Flugrichtung. Von einer turbulenten Überströmung der
derart mit makroskopischen Schlitzen versehenden Hinterkante eines
Flugzeugtragflügels
ist keine Rede.
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Aus
der
DE 420 325 A ist
eine Vorrichtung zur Dämpfung
von Randwirbeln an Flugzeug-Tragflächen und
dgl. bekannt, bei der im hinteren Teil der Tragflächen in
beliebiger Anzahl und Größe in der Bewegungsrichtung
sich erstreckende Schlitze vorgesehen sind, von denen ein jeder
sich von vorn nach hinten erweitert. Die in den Abbildungen dieses Dokuments
gezeigten Schlitze weisen makroskopische Abmessungen auf.
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Auf
der
DE 248 599 A ist
eine Tragfläche
mit selbsttätigen
Stabilisierungseinzeltragflächen
für Flugzeuge
und dgl. bekannt, bei der der hintere Teil der Tragfläche in mehrere
kleinere schwingbare Einzeltragflächen geteilt ist. Die Einzeltragflächen sind durch
sich nach hinten erweiternde Schlitze voneinander getrennt und an
den nach innen liegenden Kanten einige der Einzeltragflächen mit
senkrechten Querwänden
versehen. Der von unten gegen die Tragfläche ständig auftretende Luftdruck
presst die Luft durch die Schlitze nach oben, wodurch die schädliche Wirkung
der an den Tragrippen und anderen Widerständen auftretenden Luftwirbel
aufgehoben werden soll. Windstöße auf die
Tragfläche
sollen dadurch abgeschwächt
werden, dass die Einzeltragflächen
mit den senkrechten Querwänden
von einem Seitenwindstoß am
wirkungsvollsten getroffen und dem jeweiligen Winddruck entsprechend
heruntergebogen werden, wodurch die Luft durch die mehr oder weniger
erweiterten Schlitze zwischen den Einzeltragflächen nach unten strömt.
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Aus
der
US 2003/0201367
A1 ist ein Tragflügel
bekannt, der in Spannweitenrichtung verlaufende Schlitze in seiner
seine Überdruckseite
ausbildenden Hauptseite aufweist. Durch die Schlitze soll Luft geführt werden,
um Turbulenzen zu verhindern.
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Aus
der
US 2 163 655 A sind
Schlitze in einem Tragflügel
eines Flugzeugs bekannt, die sich quer zu der Überströmung des Tragflügels erstrecken
und eine von der Druckseite auf die Überdruckseite des Tragflügels abnehmende
Weite aufweisen.
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Aus
der
WO 03/089295
A2 ist es bekannt, die Außenhaut eines aerodynamischen
Bauteils mit Schlitzen einer Länge
von 100 bis 300 μm
und einer Breite von 50 bis 250 μm
zu versehen, wobei diese Schlitze in der Überströmungsrichtung des Bauteils ausgerichtet
sein können. Über die
Schlitze wird mittels eines Unterdruckgenerators Luft aus der Grenzschicht
einer Oberfläche
des aerodynamischen Bauteils eingesaugt. Die Tiefe der Schlitze
erstreckt sich nur über
die äußerste Außenhaut
des aerodynamischen Bauteils.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung eines aerodynamischen
Bauteils in einer Strömung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen,
bei der die Schallabstrahlung von der turbulent überströmten Kante deutlich reduziert
ist, ohne dass es notwendig ist, die Kante für das Anbringen von Bürsten dicker als
aerodynamisch gewünscht auszubilden
und Bürsten
an der Kante anzubringen bzw. nach ihrem Verschleiß zu ersetzen,
wobei eine Bauteilintegration in ein adaptives System keine Nachteile
gegenüber einer
herkömmlichen
Ausführung
aufweist und aerodynamische Nachteile beim Einsatz an Auftriebsflächen minimal
bleiben.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Anordnung eines aerodynamischen Bauteils in einer
Strömung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der
neuen Anordnung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
2 bis 6 definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
der neuen Anordnung eines aerodynamischen Bauteils in einer Strömung verlaufen
die Schlitze im Bereich der turbulent überströmten Kante des aerodynamischen
Bauteils durchgängig
von der einen Hauptfläche
bis an die andere Hauptfläche
des Bauteils, die in der Kante aneinander stoßen. Die Schlitze können im
Gegensatz zu Bürsten
neben Hinterkanten auch problemlos an anderen turbulent angeströmten Kanten,
d. h. Vorderkanten und seitlich umströmten Kanten (so genannten Seitenkanten) von
aerodynamischen Bauteilen vorgesehen werden. Die Anwendung der Schlitze
ist auch nicht nur auf flächenartig
auslaufende Kanten mit geringem Zuspitzungswinkel beschränkt, sondern
weitgehend beliebig. Im Gegensatz zu angebrachten Bürsten sind
die Schlitze in dem neuen aerodynamischen Bauteil überdies
verschleißfrei
und wartungsarm. Es ist allenfalls dafür zu sorgen, dass sich die
Schlitze nicht durch Verunreinigungen zusetzen.
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Auswirkungen
auf die aerodynamischen Leistungen des aerodynamischen Bauteils
aufgrund der Schlitze sind nicht zu erwarten, anders als dies aus
Orthmann, J.; Wild, J.: ”Auswirkung
auf die Aerodynamik durch akustische Maßnahmen an den Tragflächen”; Vortrag
DAGA 2006, TU Braunschweig, im Tagungsband der DAGA 2006 für die aerodynamischen
Leistungen eines mit Bürsten
versehenen Vorflügels
bekannt ist. Im Gegensatz zu Bürsten
mit Borsten oder Nadeln von kreisrundem Querschnitt verbleiben zwischen
den Schlitzen Stege mit rechteckigem Querschnitt, deren Kanten eine
wohl definierte Oberflächenstromrichtung
erzwingen und damit die Freiheitsgrade der unerwünschten turbulenten Strömungsschwankungen
einschränken.
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Überdies
wird eine potentiell turbulenzerhöhende, der gewünschten
Lärmreduzierung
entgegenwirkende rückspringende
Stufung beim Übergang
der Kante auf Borsten oder Nadeln einer Bürste vermieden. Dennoch werden
die für
Bürsten
nachgewiesenen Lärmminderungen
auch bei dem neuen aerodynamischen Bauteil erzielt. Bei Bürsten resultiert
die Lärmminderung
vermutlich aus der Reibungsdämpfung
der turbulenten Strömungsfluktuation
in den sehr engen Spalten, die sich als kleinster Abstand zwischen
den nebeneinander liegenden Borsten ergeben. Die Schlitze in dem
neuen aerodynamischen Bauteil erhöhen diese Reibungswirkung durch
ihre größere Erstreckung
(Schlitzhöhe)
zwischen den die Kante bildenden Hauptflächen des aerodynamischen Bauteils.
Ebenso wie Kanten mit Bürsten
vermeiden geschlitzte Kanten nicht nur breitbandigen Schall, sondern
auch tonale, hiebtonartige Anteile, wie sie z. B. an turbulent überströmten stumpfen
Hinterkanten auftreten, weil die Schlitze die Kohärenz der
Strömungsschwankungen
in Kantenrichtung zerstören.
Die Schlitze verändern
die Gesamtgeometrie der jeweiligen Kante nicht. Die Form der Kante
bleibt insgesamt erhalten, was insbesondere für adaptive Elemente, die Vorflügel, wesentlich sein
kann.
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Die
Schlitzweite jedes Schlitzes bei der neuen Anordnung ist an jeder
Stelle konstant über
der jeweilige Schlitzhöhe
des Schlitzes. Es sollen hier keine Düseneffekte erzielt werden.
Vielmehr kommt es auf die Reibung für die turbulenten Strömungsfluktuationen
in den Schlitzen an.
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Die
Schlitze können
an der jeweiligen Kante offen sein, so dass die unmittelbare Kante
nur durch die zwischen den Schlitzen stehen gelassenen Stege ausgebildet
wird. Die Schlitze können
an der jeweiligen Kante aber auch geschlossen sein, um die Stabilität der Kante
und die Steifigkeit der einzelnen Stege aus dem zwischen den Schlitzen
belassenen Material zu erhöhen.
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Ganz
vorzugsweise sind die Schlitze bei dem neuen aerodynamischen Bauteil
in der Überströmungsrichtung
der turbulent überströmten Kante ausgerichtet.
Sie erreichen so ihren höchsten
Wirkungsgrad, weil relevante Anteile der Strömung zwanglos in die Schlitze
eintreten, wodurch ihre turbulenten Strömungsfluktuationen gedämpft werden.
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Neben
der konstanten Schlitzweite über
der jeweiligen Schlitzhöhe
weisen die Schlitze auch in der Überströmungsrichtung
der Kante eine konstante Schlitzweite auf. Diese Schlitzweite der
Schlitze kann konkret zwischen 0,05 mm und 0,5 mm betragen. Sie sollte
dabei viel kleiner sein als eine in Kantenrichtung gebildete Korrelationslänge der
die Kante überströmenden Turbulenz.
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Die
Schlitze sind in der Überströmungsrichtung
der Kante parallel zueinander ausgerichtet. Ein Schlitzabstand der
Schlitze untereinander ist nicht größer als das 10-fache, bevorzugt
nicht größer als das
5-fache der Schlitzbreite der einzelnen Schlitze. Dabei müssen weder
die Schlitzweiten aller Schlitze noch ihre Abstände konstant sein. Sie können vielmehr
an die örtlichen
Besonderheiten insbesondere einer längeren Kante angepasst sein.
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Von
den Schlitzen definierte Schlitzebenen können, müssen aber nicht senkrecht zu
den Hauptflächen
des Bauteils verlaufen, die an der jeweiligen Kante zusammenstoßen. Ein
Winkel zwischen den Schlitzebenen und den kantenbildenden Hauptflächen sollte
jedoch mindestens 45° betragen.
Eine schräge
Anstellung der Schlitzebenen gegenüber den kantenbildenden Hauptflächen ist
z. B. dann sinnvoll, wenn hierdurch eine bessere Anpassung an der
Richtung der turbulenten Überströmung der
Kante erzielt wird.
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Die
Schlitzlänge
liegt in einem Bereich von 1 bis 10 cm. In jedem Fall sollte die
Schlitzlänge
der Schlitze größer sein
als, vorzugsweise mehr als doppelt so groß sein wie die Korrelationslänge der
Turbulenz entlang der Richtung der Schlitze in den kantenbildenden
Hauptflächen
des Bauteils.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert und beschrieben,
dabei zeigt
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1 eine
perspektivische Ansicht der Hinterkante eines erfindungsgemäßen aerodynamischen
Bauteils.
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2 einen
Längsschnitt
durch die Hinterkante im Bereich eines Schlitzes gemäß 1.
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3–5 Längsschnitte
durch verschiedene Abwandlungen der geschlitzten Hinterkante des
erfindungsgemäßen aerodynamischen
Bauteils gemäß den 1 und 2;
und
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6 eine
perspektivische Ansicht einer mit Schlitzen versehenen Seitenkante
eines erfindungsgemäßen aerodynamischen
Bauteils.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die
in den 1 und 2 gezeigte Hinterkante 1 eines
aerodynamischen Bauteils 2 ist mit Schlitzen 3 versehen,
die in Richtung einer turbulenten Umströmung U der Hinterkante 1 verlaufen.
Dabei wird eine Schlitzebene der Schlitze 3 beschrieben durch
einen Richtungsvektor ea der Kantenzu- oder -abströmung und
en, einen über 90° um ea gedrehten Richtungsvektor
ek, der entlang der Hinterkante 1 verläuft. Dabei
ist auch eine Verkippung der so definierten Schnittebene E der Schlitze 3 um
ea von bis zu +/– 45° zulässig, so dass sich der die
Schlitzebene definierende Richtungsvektor en durch
eine 45 bis 135° Drehung
von ek um ea ergäbe. Eine
Schlitzweite s der Schlitze ist viel kleiner als die Korrelationslänge der
die Hinterkante 1 überströmenden Turbulenz
in Kantenrichtung ek. Für typische Anwendungen liegt sie
zwischen 0,05 und 0,5 mm. Ein Schlitzabstand a zwischen den einzelnen
Schlitzen, der die Breite der zwischen den Schlitzen 3 stehen
bleibenden Stege bestimmt, ist möglichst
gering zu wählen,
d. h. so gering wie bautechnisch machbar. Zumindest sollte er nicht
wesentlich größer als
5- bis 10-mal so groß wie die
Schlitzweite s sein. Eine Schlitzlänge l sollte deutlich größer als
eine Korrelationslänge
der die Hinterkante 1 überströmenden Turbulenz
in der Strömungsrichtung
U sein. Diese Lauflänge
entlang der Schlitze 3 wird benötigt, um die turbulenten Fluktuationen
graduell abzubauen. Das vordere Ende der Schlitze kann, wie in 1 und 2 dargestellt
ist, senkrecht zu einer der kantenbildenden Hauptflächen 4, 5 des
aerodynamischen Bauteils verlaufen, bei der es sich hier um eine
Unterdruckseite 14 handelt. Wie die 3 und 4 andeuten,
kann hier aber auch ein anderer Verlauf vorgesehen sein. So kann
jeder Schlitz 3 nach vorne an beiden kantenbildenden Hauptflächen 4 und 5 des
aerodynamischen Bauteils 2 spitz auslaufen. Die Schlitze 3 müssen auch
nicht bis an die äußerste Hinterkante 1 reichen. Sie
können
vielmehr vor dieser äußersten
Hinterkante 1 enden, wie dies in 5 skizziert
ist, um den Einfluss der Schlitze 3 auf die Stabilität der Hinterkante 1 zu
begrenzen.
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6 skizziert
die erfindungsgemäßen Schlitze 3 an
einer Seitenkante 6 eines aerodynamischen Bauteils 2.
Die Schlitze 3 verlaufen hier nicht senkrecht zu der Seitenkante 6 sondern
derart zu der Seitenkante 6 angestellt, wie es der turbulenten Überströmung U der
Seitenkante 6 entspricht. Bei Bedarf, d. h. bei auftretender
Schallerzeugung aufgrund turbulenter Überströmung könnten die Schlitze 3 auch
in der Vorderkante 7 des aerodynamischen Bauteils 2 vorgesehen
werden.
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- 1
- Hinterkante
- 2
- Bauteil
- 3
- Schlitz
- 4
- Hauptfläche
- 5
- Hauptfläche
- 6
- Seitenkante
- 7
- Vorderkante
- 14
- Unterdruckseite
- 15
- Überdruckseite