Fortbewegungsmittel mit verbesserten StrömungseigenschaftenMeans of transportation with improved flow properties
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft allgemein Fortbewegungsmittel und insbesondere Fortbewegungsmittel, entlang deren Oberfläche ein Medium strömt, wobei das Medium ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit umfassen kann.The invention relates generally to means of transportation and in particular to means of transportation along whose surface a medium flows, the medium being able to comprise a gas, a liquid or a mixture of gas and liquid.
Es ist bekannt, dass die Strömungseigenschaften einesIt is known that the flow properties of a
Fortbewegungsmittels, das sich in einem Medium bewegt, von einer Reihe von Parametern abhängen. Hierzu gehören unter anderen die Eigenschaften des Mediums, die Form des Fortbewegungsmittels, sowie die Relativgeschwindigkeit von Fortbewegungsmittel und Medium.Means of transport that move in a medium depend on a number of parameters. This includes, among other things, the properties of the medium, the shape of the means of transportation, and the relative speed of the means of transportation and the medium.
Insbesondere um den Strömungswiderstand zu reduzieren und um andere negative Strömungseigenschaften so weit wie möglich zu vermeiden, wird von Fahrzeugherstellern mit großem Zeit- und Kostenaufwand die Geometrie von Fahrzeugen immer weiter optimiert. Dies betrifft in unterschiedlichem Maß sowohl Land-, Wasser- als auch Luftfahrzeuge. Jedoch sind der Unterdrückung bestimmter negativer Strömungseffekte durch Anpassung der Fahrzeuggeometrie Grenzen gesetzt.In order to reduce the flow resistance and to avoid other negative flow properties as much as possible, vehicle manufacturers are continually optimizing the geometry of vehicles with great expenditure of time and money. This affects land, water and air vehicles to varying degrees. However, there are limits to the suppression of certain negative flow effects by adapting the vehicle geometry.
Durch den Druckausgleich am hinteren Ende eines bewegten Objekts entstehen beispielsweise sogenannte Schleppwirbel. Auch bereits in der Übergangsphase zwischen laminaren und turbulenten Strömungen kann es passieren, daß sich große Schleppwirbel durch Abreissen der laminaren Strömung bilden. Die Erzeugung solch unkontrollierter großer
Schleppwirbel erfordert Energie und führt daher zu einer erheblichen Bremswirkung.The pressure compensation at the rear end of a moving object creates so-called drag vortices, for example. Even in the transition phase between laminar and turbulent flows, it can happen that large drag vortices are formed when the laminar flow is torn off. The generation of such uncontrolled large Trailing vortices require energy and therefore lead to a considerable braking effect.
Dies ist insbesondere ein Problem in der Luftfahrt, da solch große Wirbel für einen längeren Zeitraum stabil bestehen bleiben und dadurch nachfolgende Luftfahrzeuge beeinträchtigen können. Ebenso sind aber Schleppwirbel auch bei Land- und Wasserfahrzeugen zu beobachten.This is particularly a problem in aviation, since such large eddies remain stable for a longer period of time and can thereby affect subsequent aircraft. Trailing vortices can also be observed in land and water vehicles.
Ein weiteres Problem ist die Bildung von Leewalzen beiAnother problem is the formation of leeward rollers
Seitenwind. Hierbei handelt es sich um große Wirbel, die sich auf der windabgewandten Seite eines Objekts bilden. Durch den entstehenden Druckunterschied führt dies insbesondere bei Hochgeschwindigkeitszügen zu einer erhöhten Kippgefahr des Zuges.Crosswinds. These are large eddies that form on the side of an object facing away from the wind. Due to the resulting pressure difference, this leads to an increased risk of the train tipping over, especially in high-speed trains.
Weiterhin ist mit der Bildung turbulenter Wirbel in der Regel eine hohe Geräusch- und Vibrationsentwicklung verbunden.Furthermore, the formation of turbulent eddies is usually associated with a high level of noise and vibration.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Weg aufzuzeigen, wie die Strömungseigenschaften eines Fortbewegungsmittels, das sich relativ zu einem umgebenden Medium bewegt, verbessert und die oben beschriebenen nachteiligen Effekte vermindert werden können.The invention has for its object to show a new way how the flow properties of a means of transportation that moves relative to a surrounding medium can be improved and the disadvantageous effects described above can be reduced.
Die Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise durch einen Gegenstand gemäß einem der anhängenden unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen umschrieben. Die Erfinder haben überraschend herausgefunden, dass bei Fortbewegungsmitteln, deren Oberfläche zumindest teilweise eine spezielle dreidimensionale Oberflächenstruktur, wie sie in EP 92 911 873.5, PCT RU92/00106 und in EP 96 927 047.9, PCT/EP96/03200 beschrieben wird, aufweist,
nicht nur der Strömungswiderstand reduziert ist, sondern auch weitere negative Strömungseffekte vermindert sind. Der Offenbarungsgehalt der EP 92 911 873.5, PCT RU92/00106 und der EP 96 927 047.9, PCT/EP96/03200 wird daher hiermit ausdrücklich durch Referenz inkorporiert.The object is achieved in a surprisingly simple manner by an object according to one of the attached independent claims. Advantageous embodiments and further developments are described in the subclaims. The inventors have surprisingly found that in the case of means of transportation whose surface at least partially has a special three-dimensional surface structure, as described in EP 92 911 873.5, PCT RU92 / 00106 and in EP 96 927 047.9, PCT / EP96 / 03200, not only is the flow resistance reduced, but also other negative flow effects are reduced. The disclosure content of EP 92 911 873.5, PCT RU92 / 00106 and EP 96 927 047.9, PCT / EP96 / 03200 is therefore hereby expressly incorporated by reference.
Dementsprechend umfasst ein erfindungsgemäßes Fortbewegungsmittel zumindest eine Oberfläche, die eine Strukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, wobei bei Bewegung des Fortbewegungsmittels ein umgebendes Medium entlang dieser Oberfläche strömt .Accordingly, a means of locomotion according to the invention comprises at least one surface which is structured with a plurality of depressions and / or elevations, a surrounding medium flowing along this surface when the means of locomotion moves.
Vorteilhaft ist die zumindest eine Oberfläche derart ausgebildet, dass sich in der Nähe der Oberfläche Vortices in dem umgebenden Medium bilden, wenn das Medium an der Oberfläche entlang strömt.The at least one surface is advantageously designed such that vortices form in the surrounding medium in the vicinity of the surface when the medium flows along the surface.
Die Entstehung von Vortices in der Nähe der Oberfläche in dem umgebenden Medium durch eine erfindungsgemäßeThe formation of vortices near the surface in the surrounding medium by an inventive
Vertiefung lässt sich folgendermassen beschreiben. An der Vertiefung bildet sich zunächst eine Wirbelwalze im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung. Da diese Wirbelwalze typischerweise eine nicht verschwindende Helizität aufweist, wird das Medium an dem einen Ende in den Wirbel gesogen und an dem anderen Ende ausgestossen. Dies führt dazu, dass sich das letztgenannte Ende des Wirbels von der Oberfläche löst und von der Hauptströmung mitgerissen wird. Es bilden sich auf diese Weise Vortices, die ausgehend von den Vertiefungen von der Oberfläche weg in Richtung Hauptströmung führen. Da der Druck innerhalb der Vortices geringer ist als in deren Umgebung, wird die Grenzschicht des Mediums in der Nähe der Oberfläche abgesogen und in die Hauptströmung geleitet. Jeder Wirbel wirkt dadurch als eine Art Grenzschichtkontroller, der in
allen Richtungen der Umgebung das umgebende Medium in sich, auch gegen die regierende Strömungsrichtung, hineinsaugt. Dadurch werden in der Nähe der Oberfläche im Medium vorhandene ungeordnete Turbulenzen abgebaut.Deepening can be described as follows. A vortex roll is initially formed on the depression essentially transversely to the direction of flow. Because this vortex roll typically has non-zero helicity, the medium is drawn into the vortex at one end and ejected at the other end. As a result, the latter end of the vortex detaches from the surface and is carried away by the main flow. In this way, vortices are formed which, starting from the depressions, lead away from the surface in the direction of the main flow. Since the pressure inside the vortices is lower than in their surroundings, the boundary layer of the medium near the surface is drawn off and directed into the main flow. Each vortex acts as a kind of boundary layer controller, which in the surrounding medium in all directions of the environment, also against the governing flow direction. As a result, disorderly turbulence present in the medium is reduced in the vicinity of the surface.
Durch die beschriebene Bildung von Vortices wird der Strömungsabriss im Vergleich zu einer glatten Oberfläche entlang der Strömungsrichtung nach hinten verschoben, sowie die oben beschriebenen negativen Strömungseffekte wie Schleppwirbel- oder Leewalzenbildung reduziert. DieDue to the formation of vortices described, the stall is shifted backwards along the flow direction compared to a smooth surface, and the negative flow effects described above, such as the formation of drag vortices or leeward rolls, are reduced. The
Reduzierung der Schleppwirbelbildung führt gleichzeitig auch zu einer Reduzierung des Gesamtwiderstandes.Reducing the formation of drag vortices also leads to a reduction in the total resistance.
Vorteilhaft weisen die Vertiefungen und/oder Erhebungen einen zweidimensional begrenzten Rand auf und sind besonders vorteilhaft im Bereich des Randes zum Rest der Oberfläche hin mit einem vorgegebenen Abrundungsradius abgerundet. Der Abrundungsradius kann dabei in unterschiedlichen Richtungen innerhalb der Ebene der Oberfläche einen unterschiedlichen Wert aufweisen.The depressions and / or elevations advantageously have a two-dimensionally delimited edge and are particularly advantageously rounded off in the region of the edge toward the rest of the surface with a predetermined radius of curvature. The radius of curvature can have a different value in different directions within the plane of the surface.
Vorzugsweise weisen die Vertiefungen im wesentlichen die Form eines Abschnitts einer Kugel oder eines Ellipsoids auf, da diese Form herstellungstechnisch am einfachsten zu realisieren ist.The depressions preferably essentially have the shape of a section of a sphere or an ellipsoid, since this shape is the easiest to implement in terms of production technology.
Die Form, Größe und Anordnung der Vertiefungen und/oder Erhebungen kann vorteilhafterweise auf unterschiedliche Strömungsbedingungen abgestimmt werden, die durch den Einsatzzweck des Fortbewegungsmittels vorgegeben werden. Um während der Benutzung eine flexible Anpassung der Oberflächenstruktur des Fortbewegungsmittels an unterschiedliche Bewegungszustände zu realisieren, umfasst das Fortbewegungsmittel vorteilhaft eine Einrichtung zum Variieren der Form und/oder der Anzahl der Vertiefungen
und/oder Erhebungen. Beispielsweise kann dies mittels flexibler Membranen erfolgen, wie dies in EP 96 927 047.9 beschrieben wird. Die EP 96 927 047.9 wird daher hiermit auch diesbezüglich ausdrücklich durch Referenz inkorporiert .The shape, size and arrangement of the depressions and / or elevations can advantageously be matched to different flow conditions which are predetermined by the intended use of the means of transportation. In order to achieve a flexible adaptation of the surface structure of the means of transportation to different states of motion during use, the means of transportation advantageously comprises a device for varying the shape and / or the number of depressions and / or surveys. For example, this can be done using flexible membranes, as described in EP 96 927 047.9. EP 96 927 047.9 is therefore hereby expressly incorporated by reference.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Vertiefungen und/oder Erhebungen zumindest abschnittsweise im wesentlichen periodisch auf der Oberfläche des Fortbewegungsmittels angeordnet.In a preferred embodiment, the depressions and / or elevations are arranged at least in sections essentially periodically on the surface of the means of transportation.
Um mit der Strukturierung eine möglichst vollständige Flächenabdeckung zu erzielen, umfasst die Oberfläche des Fortbewegungsmittels, welche die Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, zweckmäßigerweise zumindest einen ersten, im wesentlichen ebenen Bereich und zumindest einen zweiten, im wesentlichen gekrümmten Bereich. Auf diese Weise lässt sich die strukturierte Oberfläche an beliebige Geometrien des Fortbewegungsmittels anpassen.In order to achieve the most complete possible surface coverage with the structuring, the surface of the means of transportation, which has the depressions and / or elevations, expediently comprises at least a first, essentially flat region and at least a second, essentially curved region. In this way, the structured surface can be adapted to any geometry of the means of transportation.
Da typischerweise in dem ebenen und dem gekrümmten Bereich der Oberfläche des Fortbewegungsmittels unterschiedliche Strömungszustände herrschen, unterscheiden sich die Vertiefungen und/oder Erhebungen in diesen Bereichen vorteilhaft in Form und/oder Größe und/oder Anordnung.Since different flow conditions typically prevail in the flat and the curved region of the surface of the means of transportation, the depressions and / or elevations in these regions advantageously differ in shape and / or size and / or arrangement.
In einer besonders bevorzugten Anordnung der Vertiefungen und/oder Erhebungen in einem im wesentlichen ebenen Bereich der Oberfläche des Fortbewegungsmittels bilden die Mittelpunkte dreier direkt benachbarter Vertiefungen und/oder Erhebungen ein gleichseitiges Dreieck, wobei der Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Vertiefungen und/oder Erhebungen einen im wesentlichen konstanten ersten Wert und der Abstand zweier aufeinanderfolgender Reihen von Vertiefungen und/oder Erhebungen einen im wesentlichen
konstanten zweiten Wert aufweisen. In einem gekrümmten Bereich weist die Oberfläche bevorzugt eine ähnliche Anordnung auf, die die Oberflächenkrümmung berücksichtigt.In a particularly preferred arrangement of the depressions and / or elevations in a substantially flat area of the surface of the means of transportation, the centers of three directly adjacent depressions and / or elevations form an equilateral triangle, the distance between the centers of two adjacent depressions and / or elevations being one substantially constant first value and the distance between two successive rows of depressions and / or elevations essentially one have a constant second value. In a curved area, the surface preferably has a similar arrangement that takes the surface curvature into account.
Eine bevorzugte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels umfasst ein Landfahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug oder einen Last- oder Personenkraftwagen, mit zumindest einer Aussenhülle, wobei zumindest Teile der Oberfläche der Aussenhülle eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen.A preferred embodiment of a means of transportation according to the invention comprises a land vehicle, in particular a rail vehicle or a truck or passenger car, with at least one outer shell, at least parts of the surface of the outer shell having a plurality of depressions and / or elevations.
Besonders bevorzugt weist die Oberfläche des Fortbewegungsmittels eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen derart auf, dass die Leewalzenbildung reduziert ist gegenüber einem ansonsten identischenThe surface of the means of transportation particularly preferably has a multiplicity of depressions and / or elevations in such a way that the formation of leeward rollers is reduced compared to an otherwise identical one
Fortbewegungsmittel, dessen Oberfläche eine glatte Struktur aufweist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Fortbewegungsmittel als Schienenfahrzeug, insbesondere als Hochgeschwindigkeitszug ausgebildet ist.Means of transportation whose surface has a smooth structure. This is particularly advantageous if the means of transportation is designed as a rail vehicle, in particular as a high-speed train.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels umfasst ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder Hubschrauber, mit zumindest einer der Komponenten Aussenhülle, Propeller, Rotor, Turbine, Tragfläche, Lenkfläche oder Leitwerk, wobei zumindest Teile der Oberfläche einer dieser Komponenten eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen.A further preferred embodiment of a means of transportation according to the invention comprises an aircraft, in particular an aircraft or helicopter, with at least one of the components outer shell, propeller, rotor, turbine, aerofoil, steering surface or tail unit, at least parts of the surface of one of these components having a plurality of depressions and / or have surveys.
Eine bevorzugte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels ist auch ein Wasserfahrzeug, umfassend zumindest einen Rumpf und/oder eine Antriebsschraube, wobei zumindest Teile der Oberflächen des Rumpfes und/oder der Antriebsschraube eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen.
Darüber hinaus liegen auch beliebige andere Arten von Fortbewegungsmitteln, wie beispielsweise Surfboards, Bob- Schlitten oder Raketen, mit einer Oberfläche, welche eine Vielzahl von Vertiefungen und/der Erhebungen aufweist, im Rahmen der Erfindung.A preferred embodiment of a means of transportation according to the invention is also a watercraft, comprising at least one hull and / or a drive screw, at least parts of the surfaces of the hull and / or the drive screw having a plurality of depressions and / or elevations. In addition, any other types of means of transportation, such as surfboards, bobsleighs or rockets, with a surface which has a multiplicity of depressions and / or elevations are also within the scope of the invention.
Besonders bevorzugt wird durch die Oberfläche des Fortbewegungsmittels, welche eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, gegenüber einem ansonsten identischen Fortbewegungsmittel, dessen Oberfläche eine glatte Struktur aufweist,Particularly preferred is the surface of the means of transportation, which has a multiplicity of depressions and / or elevations, over an otherwise identical means of transportation, the surface of which has a smooth structure,
- die Schleppwirbelbildung reduziert und/oder- The drag vortex formation is reduced and / or
- die Leewalzenbildung reduziert und/oder - der Strömungswiderstand reduziert und/oder- The formation of leeward rollers is reduced and / or - the flow resistance is reduced and / or
- die Position des Strömungsabrisses relativ zur Bewegungsrichtung des Fortbewegungsmittels nach hinten verschoben und/oder- The position of the stall relative to the direction of movement of the means of transportation moved back and / or
- die Geräuschentwicklung reduziert und/oder - die Vibrationsentwicklung reduziert und/oder- The noise development is reduced and / or - The vibration development is reduced and / or
- die Ablagerung von Partikeln auf der Oberfläche reduziert und/oder- The deposition of particles on the surface is reduced and / or
- die Eisbildung auf der Oberfläche reduziert.- reduces the formation of ice on the surface.
Dementsprechend umfasst die Erfindung auch die Verwendung einer Oberfläche, welche eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, als Oberfläche oder Teil einer Oberfläche eines Fortbewegungsmittels zu einem oder mehreren dieser Zwecke.Accordingly, the invention also includes the use of a surface, which has a plurality of depressions and / or elevations, as the surface or part of a surface of a means of transportation for one or more of these purposes.
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Schicht, insbesondere ausgebildet als Folie, zum Aufbringen auf eine Oberfläche oder Teile einer Oberfläche eines Fortbewegungsmittels, wobei die Aussenseite der Schicht eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder
Erhebungen umfasst. Durch Aufbringen einer solchen Schicht lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile auch durch Nachrüsten herkömmlicher Fortbewegungsmittel erzielen.Furthermore, the invention comprises a layer, in particular in the form of a film, for application to a surface or parts of a surface of a means of transportation, the outside of the layer having a structure which has a plurality of depressions and / or Surveys. By applying such a layer, the advantages according to the invention can also be achieved by retrofitting conventional means of transportation.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei sich in den einzelnen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Bestandteile beziehen.The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings, in which the same reference numerals refer to the same or similar components in the individual drawings.
Es zeigenShow it
Figur 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels , Figur 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels , Figur 3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels,FIG. 1: a schematic representation of a first embodiment of a means of transportation according to the invention, FIG. 2: a schematic illustration of a second embodiment of a means of transportation according to the invention, FIG. 3: a schematic illustration of a third embodiment of a means of transportation according to the invention,
Figur 4 : eine schematische Darstellung einer Antriebsschraube eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels, Figur 5: eine schematische Darstellung eines Rotors eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels,FIG. 4: a schematic illustration of a drive screw of a means of transportation according to the invention, FIG. 5: a schematic illustration of a rotor of a means of transportation according to the invention,
Figur 6: schematisch die Querschnitte zweier Tragflächen, Figur 7 : schematisch einen mittigen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer Vertiefung bzw. Erhebung senkrecht zur Oberfläche, Figur 8: eine schematische Darstellung einer ersten Verteilung von Vertiefungen bzw. Erhebungen, Figur 9: schematisch einen mittigen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Vertiefung bzw. Erhebung senkrecht zur Oberfläche,
Figur 10: eine schematische Darstellung einer zweiten Verteilung von Vertiefungen bzw. Erhebungen,Figure 6: schematically the cross sections of two wings, Figure 7: schematically a central cross section of a first embodiment of a depression or elevation perpendicular to the surface, Figure 8: a schematic representation of a first distribution of depressions or elevations, Figure 9: schematically a central cross section a second embodiment of a depression or elevation perpendicular to the surface, FIG. 10: a schematic representation of a second distribution of depressions or elevations,
Figur 11: schematisch einen mittigen Querschnitt senkrecht zu Oberfläche einer dritten Ausführungsform von Vertiefungen bzw. Erhebungen mit der entsprechenden Draufsicht,FIG. 11: schematically a central cross section perpendicular to the surface of a third embodiment of depressions or elevations with the corresponding top view,
Figur 12: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Oberfläche mit Vertiefungen bzw. Erhebungen, die ebene und gekrümmte Bereiche aufweist.Figure 12 is a schematic representation of an embodiment of a surface with depressions or elevations, which has flat and curved areas.
Fig. 1 zeigt einen Hochgeschwindigkeitszug 10, dessen äußere Oberfläche 101 eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist. Bei Bewegung des Zuges werden durch den oben beschriebenen Mechanismus ausgehend von diesen Vertiefungen sekundäre Vortices in der an der Oberfläche entlang strömenden Luft erzeugt. Durch diese selbstorganisierenden Vortexstrukturen wird die Grenzschicht in der Nähe der Oberfläche abgesaugt und in die Hauptströmung geleitet, wodurch der Strömungswiderstand reduziert und verschiedene negative Strömungseffekte vermindert werden. Eine besondere Bedeutung kommt hier insbesondere einer reduzierten Leewalzenbildung bei Seitenwind zu, die bei herkömmlichen Hochgeschwindigkeitszügen ein großes Problem darstellt.1 shows a high-speed train 10, the outer surface 101 of which has a large number of depressions. When the train moves, the mechanism described above generates secondary vortices in the air flowing along the surface from these depressions. These self-organizing vortex structures suck off the boundary layer near the surface and direct it into the main flow, reducing the flow resistance and reducing various negative flow effects. Of particular importance here is the reduced formation of leeward rollers in cross winds, which is a major problem with conventional high-speed trains.
In Fig. 2 ist ein üblicher Düsenjet 20 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Oberflächen 201 der Tragflächen 22 eine Strukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen auf. Diese Strukturierung kann bei der Herstellung der Tragflächen vorgesehen werden oder auch durch eine nachträglich aufgebrachte Schicht erzeugt werden, beispielsweise durch Aufbringen einer Folie, die die Strukturierung aufweist. Die strukturierte Oberfläche kann selbstverständlich mit Vorteil auch auf
weiteren Oberflächen eines solchen Flugzeugs vorgesehen werden, wie beispielsweise des Rumpfes 21, der hinteren Leitwerke 23 und 24 oder der Außenseite der Antriebsaggregate 25. Auch könnten beispielsweise die Turbinenschaufeln der Antriebsaggregate 25 eine erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche aufweisen. Vorteilhafte Effekte eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs sind beispielsweise eine Reduzierung der Schleppwirbelbildung und eine Verbesserung der Stall-Eigenschaften. Die Erfindung reduziert außerdem ein insbesondere beiA conventional jet jet 20 is shown in FIG. 2. In this exemplary embodiment, the surfaces 201 of the wings 22 have a structuring with a multiplicity of depressions and / or elevations. This structuring can be provided during the production of the wings or can also be generated by a subsequently applied layer, for example by applying a film which has the structuring. The structured surface can of course also advantageously be used Further surfaces of such an aircraft are provided, such as the fuselage 21, the rear tail units 23 and 24 or the outside of the drive units 25. The turbine blades of the drive units 25 could also have a surface structured according to the invention. Advantageous effects of an aircraft according to the invention are, for example, a reduction in the formation of drag vortices and an improvement in the stall properties. The invention also reduces in particular
Überschallflugzeugen auftretendes Problem einer Erhitzung der Aussenhülle durch eine deutliche Verringerung des Oberflächenwiderstandes. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Oberflächenstrukturierung der Wärmeübergang zwischen Oberfläche und Medium verbessert, was ebenfalls zu einer Reduzierung dieses Problems beiträgt .Problem of supersonic aircraft of heating the outer shell by a significant reduction in surface resistance. At the same time, the heat transfer between surface and medium is improved by the surface structuring according to the invention, which also contributes to a reduction of this problem.
Fig. 3 zeigt ein Schiff 30, bei dem die unter der Wasserlinie 40 liegende Oberfläche 301 des Rumpfes 31 eine Strukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen aufweist. Eine erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche 331 kann außerdem auch auf den Blättern 34 der Antriebsschraube 33 vorgesehen sein. Dies ist in Fig. 4 nochmals im Detail dargestellt.FIG. 3 shows a ship 30 in which the surface 301 of the hull 31 lying below the water line 40 has a structure with a large number of depressions. A surface 331 structured according to the invention can also be provided on the leaves 34 of the drive screw 33. This is shown again in detail in FIG. 4.
Fig. 5 zeigt einen Rotor 50 eines erfindungsgemäßen Hubschraubers mit zwei Rotorblättern 51, deren Oberfläche 501 eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel können dieFIG. 5 shows a rotor 50 of a helicopter according to the invention with two rotor blades 51, the surface 501 of which has a large number of depressions and / or elevations. In this embodiment, too
Strömungseigenschaften auf diese Weise positiv beeinflusst werden. Bei Hubschraubern wirkt sich dies insbesondere durch verbesserten Lift, verbesserte Stall-Eigenschaften und eine Reduzierung der Geräuschentwicklung aus. Auf
gleiche Weise können auch die Stall-Eigenschaften eines Propellers verbessert werden.Flow properties can be positively influenced in this way. In the case of helicopters, this affects in particular through improved lift, improved stall properties and a reduction in noise. On the stall properties of a propeller can be improved in the same way.
Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines Profils einer herkömmlichen Tragfläche 26. Das langgezogene Profil ist erforderlich, um einen frühzeitigen Strömungsabriss zu vermeiden, der zu einem Verlust des Auftriebs führen würde. Weist jedoch die Oberfläche einer Tragfläche eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen auf, verschiebt sich der Punkt des Strömungsabrisses entlang derFigure 6 shows the cross-section of a profile of a conventional wing 26. The elongated profile is necessary to avoid an early stall which would result in loss of lift. However, if the surface of an aerofoil has a large number of depressions and / or elevations, the point of the stall shifts along the
Strömungsrichtung nach hinten, wodurch völlig neue Tragflächenprofile ermöglicht werden. Ein solches Profil 27 ist in Fig. 6 beispielhaft, zum Vergleich über das herkömmliche Profil 26 gelegt, dargestellt. Durch solch neuartige Tragflächenprofile kann der Auftrieb signifikant erhöht beziehungsweise bei gleichem Auftrieb die Dimensionen der Tragfläche deutlich verringert werden.Direction of flow to the rear, which enables completely new wing profiles. Such a profile 27 is shown in FIG. 6 by way of example, placed over the conventional profile 26 for comparison. Such new wing profiles can significantly increase the lift or, with the same lift, the dimensions of the wing can be significantly reduced.
Figur 7 zeigt einen mittigen Querschnitt einer bevorzugten Form einer Vertiefung 602 senkrecht zu einer ebenen Oberfläche. Die Vertiefung 602 in diesem Ausführungsbeispiel hat die Form eines Abschnitts einer Kugel bzw. einer Kugelkalotte mit Radius Ri, Höhe h und Durchmesser d, und ist mit einem Abrundungsradius R2 abgerundet. Eine Vertiefung ist in diesem Beispiel rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse durch den Mittelpunkt der Vertiefung senkrecht zur Oberfläche.FIG. 7 shows a central cross section of a preferred shape of a depression 602 perpendicular to a flat surface. The depression 602 in this exemplary embodiment has the shape of a section of a ball or a spherical cap with radius Ri, height h and diameter d, and is rounded off with a rounding radius R 2 . In this example, a depression is rotationally symmetrical to an axis of rotation through the center of the depression perpendicular to the surface.
In Fig. 8 ist eine bevorzugte Verteilung der Vertiefungen 602 auf einer ebenen Oberfläche dargestellt. Die Vertiefungen 602 sind periodisch angeordnet, wobei die Mittelpunkte dreier direkt benachbarter Vertiefungen 602 ein gleichseitiges Dreieck bilden. Der Winkel α beträgt daher 60°. Der Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter
Vertiefungen 602 und damit die Seitenlänge des genannten Dreiecks beträgt t2. Der Abstand zweier aufeinanderfolgender Reihen von Vertiefungen 602 und damit die Höhe des genannten Dreiecks beträgt tx . ti und t2 können je nach Einsatzzweck unterschiedliche Werte aufweisen.8 shows a preferred distribution of the depressions 602 on a flat surface. The depressions 602 are arranged periodically, the centers of three directly adjacent depressions 602 forming an equilateral triangle. The angle α is therefore 60 °. The distance between the centers of two neighboring ones Indentations 602 and thus the side length of the triangle mentioned is t 2 . The distance between two successive rows of depressions 602 and thus the height of the triangle mentioned is t x . ti and t 2 can have different values depending on the application.
Figur 9 zeigt einen mittigen Querschnitt einer weiteren bevorzugten Form einer Vertiefung 702 senkrecht zu einer ebenen Oberfläche. Die Vertiefung 702 in diesem Ausführungsbeispiel hat die Form eines Abschnitts eines Ellipsoids mit den Durchmessern Ei, E2 und E3, wobei E3 senkrecht zur Zeichenebene liegt und dementsprechend nicht dargestellt ist. Die Vertiefung weist eine Höhe h und einen Durchmesser d auf und ist mit einem Abrundungsradius R3 abgerundet.FIG. 9 shows a central cross section of a further preferred form of a depression 702 perpendicular to a flat surface. The depression 702 in this exemplary embodiment has the shape of a section of an ellipsoid with the diameters Ei, E 2 and E 3 , where E 3 is perpendicular to the plane of the drawing and is therefore not shown. The depression has a height h and a diameter d and is rounded off with a radius of curvature R 3 .
In Fig. 10 ist eine bevorzugte Verteilung der Vertiefungen 702 auf einer ebenen Oberfläche dargestellt. Diese entspricht im wesentlichen der in Fig. 8 für die Vertiefungen 602 dargestellten Anordnung.10 shows a preferred distribution of the depressions 702 on a flat surface. This corresponds essentially to the arrangement shown in FIG. 8 for the depressions 602.
Weitere vorteilhafte Formen und Anordnungen der Vertiefungen und/oder Erhebungen sind den Anmeldungen EP 92 911 873.5, PCT RU92/00106 und EP 96 927 047.9, PCT/EP96/03200 zu entnehmen. Dementsprechend weist dieFurther advantageous shapes and arrangements of the depressions and / or elevations can be found in the applications EP 92 911 873.5, PCT RU92 / 00106 and EP 96 927 047.9, PCT / EP96 / 03200. Accordingly, the
Oberfläche vorteilhaft eine dreidimensionale Struktur auf, wie sie beispielhaft in Fig. 11 schematisch dargestellt ist, mit Vertiefungen oder Erhebungen 802, gekrümmten Gebieten und Übergangsgebieten. In dem im oberen Bereich der Fig. 11 dargestellten Querschnitt der Oberfläche erstrecken sich die Vertiefungen bzw. Erhebungen entlang deren Durchmesser d, die gekrümmten Gebiete entlang der Strecke lc und die Übergangsgebiete entlang der Strecke ltr- Der Abstand zweier Vertiefungen ist wiederum mit t2 bezeichnet.
Ein beliebiger Abschnitt der Vertiefungen oder Erhebungen 802 entlang der Oberfläche hat die Gestalt einer glatten und durchgehenden Linie, die durch folgende Beziehung beschreibbar ist: φ 1 . 4πφ *(φtz) : *Y {h,θ)- — + Ar -sin- + h 180° 4π 180° . πφ 1 . 3πφ . 2πφ 1 . Aπφ + -4jΔr sin— L sin—— + A2Ar\ sin— sin—— (1) 180° 3 180° J 180° 2 180°Surface advantageously has a three-dimensional structure, as is shown schematically by way of example in FIG. 11, with depressions or elevations 802, curved areas and transition areas. In the cross section of the surface shown in the upper area of FIG. 11, the depressions or elevations extend along their diameter d, the curved areas along the distance l c and the transition areas along the distance l t r. The distance between two depressions is again included denotes t 2 . Any portion of the indentations or bumps 802 along the surface is in the form of a smooth and continuous line that can be described by the following relationship: φ 1. 4πφ * (φ t z): * Y {h, θ) - - + Ar -sin- + h 180 ° 4π 180 °. πφ 1. 3πφ. 2πφ 1. Aπφ + -4 j Δr sin— L sin—— + A 2 Ar \ sin— sin—— (1) 180 ° 3 180 ° J 180 ° 2 180 °
worin:wherein:
- r(φ,z) der Abschnittsradius in Richtung des Winkels φ (in Winkelmaß) ist, der von der Strecke aus, die die Zentren von benachbarten Vertiefungen und/oder Erhebungen verbindet oder von einer beliebigen Strecke aus, die in dem gekennzeichneten Abschnitt liegt, zu zählen ist;- r (φ, z) is the section radius in the direction of the angle φ (in angular dimension), from the distance connecting the centers of adjacent depressions and / or elevations or from any distance lying in the marked section to count;
- z die Abschnittshöhe über dem niedrigsten Punkt der Vertiefungen ist oder der Abschnittsabstand vom höchsten Punkt der Erhebungen ist;- z is the section height above the lowest point of the depressions or the section distance from the highest point of the elevations;
- r( ?,θ) der Radius des Vertiefungs- oder Erhebungsabschnitts in Richtung des Winkels φ = 0° ist;- r (?, θ) is the radius of the recess or elevation section in the direction of the angle φ = 0 °;
- Δr = r(b,180°) - r(7.,0°) die Differenz zwischen den Radien des Vertiefungs- oder des Erhebungsabschnitts in Richtung der Winkel <ρ = 180° und φ = 0° ist;- Δr = r (b, 180 °) - r (7th, 0 °) is the difference between the radii of the depression or elevation section in the direction of the angles <ρ = 180 ° and φ = 0 °;
- lc die Abmessung des gekrümmten Bereichs projiziert auf eine Ebene, die parallel zur Ebene der Oberfläche verläuft, ist;- l c is the dimension of the curved area projected onto a plane parallel to the plane of the surface;
- k ein Koeffizient ist mit 0,3 < k < 0,7;- k is a coefficient with 0.3 <k <0.7;
- Ai ein Koeffizient ist mit -1 < Ai < 1;- Ai is a coefficient with -1 <Ai <1;
- A2 ein Koeffizient ist mit -1 < A2 < 1; und - h die Tiefe bzw. Höhe der Vertiefungen bzw. Erhebungen ist .
In den gekrümmten Gebieten sind die Vertiefungen bzw. Erhebungen vorteilhaft mit einem Abrundungsradius von R > 3 - h zu den Übergangsgebieten hin abgerundet.- A 2 is a coefficient with -1 <A 2 <1; and - h is the depth or height of the depressions or elevations. In the curved areas, the depressions or elevations are advantageously rounded off with a radius of curvature of R> 3 - h towards the transition areas.
Vorteilhaft liegt der Wert von h zwischen dem 0,005- und dem 0,3-fachen der Dicke der Grenzschicht. Mit d dem Durchmesser der Vertiefungen oder Erhebungen gelten außerdem vorzugsweise die folgenden Beziehungen:The value of h is advantageously between 0.005 and 0.3 times the thickness of the boundary layer. With d the diameter of the depressions or elevations, the following relationships also preferably apply:
2 - h < d < 40 - h , insbesondere 2 - h < d < \0 - h , 0,3 • d < lc < 0,5 • d und 0,05 - d < ltr < 3 - d .2 - h <d <40 - h, in particular 2 - h <d <\ 0 - h, 0.3 • d <l c <0.5 • d and 0.05 - d <l tr <3 - d.
Die in Gleichung (1) enthaltenen Parameter können abhängig von der Art des Mediums, der Form und den Dimensionen der Oberfläche, der Strömungsgeschwindigkeit, der Temperatur des Mediums und der Oberfläche, sowie weiteren die Strömung beinflussenden Faktoren unterschiedlich gewählt werden.The parameters contained in equation (1) can be selected differently depending on the type of medium, the shape and dimensions of the surface, the flow rate, the temperature of the medium and the surface, and other factors influencing the flow.
Fig. 12 zeigt eine Oberfläche, die zumindest einen ebenen Bereich 601 und einen gekrümmten Bereich 901 aufweist. Wird eine solche Oberfläche von einem Medium umströmt, ist es aufgrund unterschiedlicher Strömungszustände in den unterschiedlichen Bereichen vorteilhaft, wenn sich dieFIG. 12 shows a surface that has at least one flat region 601 and one curved region 901. If a medium flows around such a surface, it is advantageous, due to different flow conditions in the different areas, if the
Vertiefungen bzw. Erhebungen 602 in dem ebenen Bereich 601 in Form und/oder Größe und/oder Anordnung von den Vertiefungen bzw. Erhebungen 902 in dem gekrümmten Bereich 901 unterscheiden. Auch kann dies allein aus geometrischen Gründen erforderlich sein, da bei einer starken Krümmung der Oberfläche beispielsweise eine sinnvolle Größe der Vertiefungen bzw. Erhebungen beschränkt ist.
Die Figuren 13 a und 13 b zeigen das Modell eines Zuges mit einer Oberfläche, welche eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist. Die Form der in diesem Modell verwendeten Vertiefungen entspricht im wesentlichen den in Fig. 7 dargestellten, angepasst an die Krümmung der Oberfläche. Zu erkennen ist auch eine Variation in Größe und Verteilung der Vertiefungen zwischen unterschiedlich gekrümmten Bereichen der Oberfläche.Distinguish depressions or elevations 602 in the flat region 601 in shape and / or size and / or arrangement from the depressions or elevations 902 in the curved region 901. This may also be necessary solely for geometric reasons, since if the surface is strongly curved, for example, a meaningful size of the depressions or elevations is limited. FIGS. 13 a and 13 b show the model of a train with a surface which has a large number of depressions. The shape of the depressions used in this model essentially corresponds to that shown in FIG. 7, adapted to the curvature of the surface. A variation in the size and distribution of the depressions between differently curved areas of the surface can also be seen.
Die Strömungseigenschaften dieses Modells wurden in einemThe flow properties of this model were analyzed in one
Windkanal gemessen. Dabei ergab sich ein um 16% reduzierter Oberflächenwiderstand, sowie eine deutlich reduzierte Leewalzenbildung. Weiterhin ergaben Messungen in einem Medium, das turbulente Strömungen aufwies, eine signifikante Reduzierung der Vibrationsentwicklung.
Wind tunnel measured. This resulted in a 16% reduction in surface resistance and a significantly reduced formation of leeward rollers. Furthermore, measurements in a medium with turbulent flows showed a significant reduction in the development of vibrations.