DE3609541A1 - Reduced flow resistance by a surface, having reduced wall shearing stress, of a body over which a fluid flows in a turbulent manner - Google Patents
Reduced flow resistance by a surface, having reduced wall shearing stress, of a body over which a fluid flows in a turbulent mannerInfo
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Abstract
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.The invention relates to a reduced Flow resistance due to reduced Wall shear stress surface of a turbulent body, with in Flow direction through grooves sharp-edged ribs separated from each other are. These fine ribs reduce the Flow resistance in turbulent flow at the Surface. The reduction in resistance is achieved by Reduction of the turbulent wall shear stress reached.
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.A surface of the type described at the outset is made Walsh, M. J .: Turbulent boundary layer drag reduction using riblets, AIAA paper 82-0169 (1982). The resistance-reducing ribs used however, extend over a very long length in the direction of flow. Unless the ribs are in a suitable mutual distance and with a sharp-edged shape their upper edge, it is possible thereby reducing turbulent To achieve wall shear stress of approx. 7 to 8%.
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.According to an earlier application (P 34 41 554.8-53) has already been suggested to surface out assemble a large number of individual elements, the ribs facing the current and have grooves. Here are the individual elements arranged and / or designed relative to one another, that there are slits on the side facing the current arise. The slots are through below that Flow facing surface of the individual elements arranged channels connected to each other. The Individual elements are arranged so that the grooves and Ribs of the various elements in the direction of flow in line with each other.
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 DefinitionFurthermore, it is known from Kline, SJ / Reynolds, WC, Schraub, FA / Runstadler, PW: The structure of turbulent boundary layers, J. Fluid Mech, 30, 4, (1967), pp. 741-773 that in the wall-near layer of a turbulent boundary layer form strips of low flow speed ("slow strips" = "low speed streaks") which extend in the direction of flow (see FIG. 1). These are due to slowly rotating longitudinal vortices, which transport heavily braked fluid from the wall into the flow. The longitudinal vertebrae are in Jang, PS / Benney, DJ / Gran, RL: 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, has been explained as a flow resonance of the layer close to the wall. The wavelength λ z transverse to the direction of flow corresponds to twice the distance between the individual opposing longitudinal vortices (see Fig. 1). These longitudinal vortices also have a wavelength g x in the direction of flow, which is, however, considerably larger than the lateral vortex distance. The typical dimensions are λ ≈ 90 and g . λ ⁺ is a dimensionless length, with the 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.Here, t o is the wall shear stress of the undisturbed turbulent boundary layer flow over a smooth plate. ρ is the density of the fluid and ν is the kinematic toughness. After a few experiments, λ may be higher than the given values.
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.The effect of the longitudinal ribs is based on the fact that the flow of the longitudinal vortices is impeded transversely to the main flow direction. As a result, the "slow streaks" become less intense, the flow remains more stable and the degree of turbulence decreases (Hooshmand, D./Youngs, R./Wallace, JM: An experimental study of changes in the structure of a turbulent boundary layer due to surface geometry changes, AIAA paper 83-0230 (1983)). Overall, this leads to a reduction in the turbulent wall shear stress, which is known to be based on the momentum exchange of the turbulent flow. However, the longitudinal ribs only work optimally if they are very sharp and if their lateral distance is of the order of half the longitudinal vertebral distance or less. This results in a rib spacing s , which should be s ⁺≈ λ / 4 ≈ 22 or less. In fact, all measurements with rib surfaces that have brought about a reduction in resistance also show this dimension of the rib spacing (Walsh, MJ: Turbulent boundary layer drag reduction using riblets, AIAA paper 82-0169 (1982)). This rib spacing is usually very small and is z. B. for an application on a commercial aircraft at about 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.The invention has for its object a Surface of the type described in the introduction to further develop that the flow resistance at turbulent overflow is further reduced becomes. In addition, this surface shape must be like this be trained that the surface also comparatively easy to manufacture.
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.According to the invention this is achieved in that the Ribs are provided in a variety of seasons that each rib season from a multitude cross or diagonally to the direction of flow next to each other at a distance arranged ribs is that the ribs in Direction of flow of successive rib squadrons offset laterally to the flow direction are arranged, and that the ribs of each Rib staggering short extensions in the direction of flow exhibit. In general, the individual ribs each rib season also of the same length; however, this must don't be like that. The main characteristic is the staggered Arrangement of the ribs, i.e. the arrangement of several Rib squadrons, each from season to season Flow direction offset from each other are. Of course, the ribs must have sharp edges be trained and the geometric conditions, as will be explained below be respected.
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.The obstruction of the transverse flow of the longitudinal vortices also depends on how far the ribs protrude into the flow perpendicular to the wall. However, as our own calculations and measurements have shown, this protrusion cannot be increased arbitrarily by making the ribs higher. The decisive penetration depth is given by the distance between the top edge of the ribs and the "virtual zero point" of the viscous flow close to the wall. The virtual zero point is defined as follows: If the ribbed surface is replaced by a smooth surface at the height of the virtual zero point, the same average viscous flow results above the smooth surface as somewhat above the ribs of the ribbed surface. The virtual zero point is naturally between the top edge of the ribs and the bottom of the groove between the ribs. The virtual zero point can also be understood as the center of gravity of the shear stress on the ribbed surface. The "penetration depth" d is the difference in height between the top edge of the rib and the virtual zero point. The depth of penetration d of the ribs is the decisive factor for influencing the longitudinal vortex cross flow.
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 GrenzwertThe calculation of the viscous flow around long fins shows that the penetration depth d cannot be increased above 22.1% of the fin spacing s . The specified limit
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.was determined both analytically and experimentally. This limit cannot be changed by high ribs or any shape variants of the long ribs. From this limit, the previous considerations ( s ⁺ ≈ 22) are used to calculate a dimensionless depth of penetration of a maximum of d ⁺ ≈ 5. This limits the possibility of influencing such a longitudinal vortex flow, whose vortex cores are much higher above the surface, namely at a dimensionless height of y ⁺ ≈ 35. This explains the limitation to the reduction in resistance achieved so far.
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.The only way to increase the depth of penetration and thus the reduction in resistance is a radical departure from long ribs. The individual ribs or rib series must be short in the direction of flow and a lateral offset of rib series to rib series following in the flow direction is required. This offset means that the ribs can effectively be moved apart comparatively twice as far to the side. You get twice the depth of penetration. On the other hand, the staggered arrangement of the ribs is also suitable for preventing the formation of longitudinal vortices if the ribs and the subsequent space are shorter than the wavelength in the flow direction g x .
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.It when the ribs in is particularly advantageous Direction of flow of successive rib squadrons offset by half a division are arranged so that on a groove between two Ribs of a rib season in the flow direction Rib and vice versa follows. The ribs can be rectangular be limited, the depth of penetration approximately doubled. But it is also possible that the aligned opposite to the flow direction The ends of the ribs are chamfered or rounded are trained. The leading edges of the ribs are so beveled or rounded. Such circular section or fin-shaped rib structure fluid mechanically appears even cheaper and enables even greater penetration depths. So that's it possible the 8% limits of resistance reduction to fall even further from the state of the art.
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.One skilled in the art would assume that the division of a Rib into a variety of staggered ribs would inevitably bring an increase in resistance. In a normal parallel flow with constant That would also be the case with speed. In a Viscous flow close to the wall can, however, be achieved with a relatively simple calculation show that here no adverse effect occurs. Technologically the advantages of previous groove surfaces remain receive.
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.The dimensionless distance of the ribs from each other in a rib season should be of the order of about s ⁺ = 10. . . 45 lie. In a typical application in a commercial aircraft, the rib spacing would be approximately 0.1 mm.
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.The extension of the ribs of the individual ribs Staggering in the direction of flow corresponds approximately to one up to six groove widths. The staggered ribs can also have different lengths and they can also partially overlap. Also one oblique arrangement to the flow direction of the ribs or Rib staggering is possible, taking the single rib but must be arranged in the direction of flow. The Ribs are all relatively easy to get through Manufacture hot rolling or casting of plastic films. Such plastic films can then on the surface e.g. B. an aircraft.
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.It is also possible to use the invention staggered arrangement of the ribs with other known ones to combine measures to reduce resistance. For example, a combination with under the Slits connected to the surface possible Show outlet openings in the direction of flow. Furthermore, the combination with in the turbulent Boundary layer introduced rectification wings according to Anders, J. B./Watson, R. D .: Airfoil large-eddy breakup devices for turbulent drag reduction, AIAA- Paper 85-0520 (1985) possible, which is also for itself and in the combination then to a reinforced one Reduction of the turbulent wall shear stress to lead.
Verschiedene Ausführungsbeispiele und Darstellungen zur Verdeutlichung der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden beschrieben. Es zeigen:Different embodiments and representations to illustrate the invention are in the drawings are shown and are described below. It demonstrate:
Fig. 1 die Darstellung von Streifen geringerer Strömungsgeschwindigkeit in einer wandnahen Schicht infolge Auftretens von Längswirbeln, Fig. 1 is an illustration of stripes of lower flow velocity in a near-wall layer due to occurrence of longitudinal vortices,
Fig. 2 die Verdeutlichung einiger geometrischer Größen, FIG. 2, illustrating some geometrical parameters,
Fig. 3 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oberfläche mit gestaffelt angeordneten Rippen, Fig. 3 shows a first embodiment of the inventive surface with staggered ribs arranged,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform mit gestaffelten Rippen in Kreisabschnittform, Fig. 4 shows another embodiment with staggered ribs in circular segment shape,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Oberfläche mit gestaffelten Rippen in Flossenform, Fig. 5 shows another embodiment of the surface with staggered ribs in the form of fins,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Oberfläche mit unterschiedlich langen Rippen-Staffeln, Fig. 6 is a plan view of a further embodiment of the surface with different length-scales of ribs,
Fig. 7 eine Ausführungsform mit relativ großer Überlappung der Rippen-Staffeln, Fig. 7 shows an embodiment with a relatively large overlap of the rib scales,
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Rippen- Staffeln und Fig. 8 shows a further embodiment of the rib seasons and
Fig. 9 eine letzte Ausführungsform der Rippen- Staffeln mit Schräganordnung. Fig. 9 shows a last embodiment of the rib squadrons with oblique arrangement.
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. 1, the known from the prior art is shown fact that a plate (2) be formed on a surface (1) in the flow direction (3) in the near-wall layer of a turbulent boundary layer stripes of lower flow velocity. These are slowly rotating longitudinal vortices ( 4 ) which rotate in opposite directions and transport strongly decelerated fluid from the surface ( 1 ) into the flow. The wavelength λ z transverse to the direction of flow corresponds to twice the distance between the individual opposing longitudinal vortices ( 4 ). The longitudinal vortices ( 4 ) also have a wavelength λ x in the direction of flow, which is, however, considerably larger than the lateral vortex distance.
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.In Fig. 2, part of a rib series of the surface according to the invention is shown in high magnification in order to clarify some sizes. From the surface ( 1 ) protrude individual ribs ( 5 ), which face the flow by sharp edges ( 6 ), are aligned parallel to each other and arranged parallel to the direction of flow. It is not harmful if the ribs ( 5 ) are rounded at the base, ie at the transition point to the surface ( 1 ). The ribs ( 5 ) have a relatively short extension parallel to the direction of flow. The rib spacing s is the distance between two ribs ( 5 ), which are adjacent in a rib series, measured transversely to the direction of flow. The virtual zero point ( 7 ) of the viscous flow near the wall is also shown. This virtual zero point ( 7 ) lies at a penetration depth d from the plane of the edges ( 6 ) towards the surface ( 1 ). Two speed profiles are shown, namely at the location of the rib ( 5 ) and an intermediate groove ( 8 ). The speed distributions are to be understood as averages over time.
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. 3 shows a first embodiment of the surface ( 1 ) with the ribs ( 5 ), which have a rectangular shape here. The first ribs ( 5 ) arranged transversely to the direction of flow ( 3 ) form a rib series ( 9 ). The ribs ( 5 ) following in the direction of flow ( 3 ) form a series of ribs ( 10 ) etc. It can be seen that the series of ribs ( 9, 10 etc.) which follow one another in the direction of flow ( 3 ) are each laterally offset from one another, especially by half a division.
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. 4 shows a further view in perspective. Here, too, ribs ( 5 ) arranged next to one another transversely to the direction of flow complement each other to form the various rib series ( 9, 10 etc.). The individual ribs here consist of a circular section shape, ie they are rounded.
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. Fig. 5 shows the arrangement of ribs ( 5 ) in the form of fins, each rib ( 5 ) beginning on its side facing the flow with a small height. Here too, the lateral offset of the ribs from one another can be seen.
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.As can be seen in FIG. 6, which shows a plan view of a further embodiment, the individual ribs ( 5 ) of the rib series ( 9, 10 , etc.) do not necessarily have to be of the same length. The ribs ( 5 ) of each rib series are of equal length to one another. However, the ribs of different rib seasons can have different lengths. It is also possible, as shown in FIG. 7, for the individual ribs ( 5 ) of the various rib series ( 9, 10 , etc.) to overlap. The rib staggered sections ( 9, 10 , etc.) are arranged transversely to the direction of flow ( 3 ).
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.The exemplary embodiments of FIGS. 8 and 9 show ribs ( 5 ) which are staggered obliquely to the direction of flow ( 3 ), the ribs ( 5 ) according to FIG. ( 8 ) being able to have the shape shown, that is to say pointed at the front and rear. Of course, the ribs ( 5 ) in all of the exemplary embodiments have the sharp edges ( 6 ) illustrated on the basis of FIG. 2, specifically at their end projecting into the flow. In all the embodiments shown so far, the ribs are offset by half a division in the flow direction of successive rib series ( 9, 10 , etc.). Fig. 9 shows an embodiment with obliquely staggered ribs, in which the lateral offset does not necessarily have to be half a division. The offset can be divided here in the ratio 1 / 3-2 / 3. Also, the length of the ribs in a rib season does not necessarily have to be constant.
-
Bezugszeichenliste:
1 = Oberfläche
2 = Platte
3 = Strömungsrichtung
4 = Längswirbel
5 = Rippe
6 = Kante
7 = virtueller Nullpunkt
8 = Rille
9 = Rippen-Staffel
10 = Rippen-StaffelReference symbol list: 1 = surface
2 = plate
3 = flow direction
4 = longitudinal vertebrae
5 = rib
6 = edge
7 = virtual zero point
8 = groove
9 = Rib season
10 = Rib season
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DEUTSCHE FORSCHUNGSANSTALT FUER LUFT- UND RAUMFAHR |
|
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |