Widerstandsverminderung umströmter Körper durch kombiniertes Ausblasen und Absaugen an der Wand PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 3103 / Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben vom Minister fur Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -Ing. Klaus Gersten Dipl. -Ing. J ochen Wiedemann Institut fur Thermo- und Fluiddynamik der Ruhr-UniversiHit Bochum Widerstandsverminderung umstromter Korper durch kombiniertes Ausblasen und Absaugen an der Wand Westdeutscher Verlag 1982 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Gersten, Klaus: Widerstandsverminderung umstromter Korper durch kombiniertes Ausblasen und Absaugen an der Wand / Klaus Gersten ; Jochen Wiedemann. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1982. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 3103 : Fachgruppe Maschi nenbau, Verfahrenstechnik) ISBN 978-3-531-03103-3 NE: Wiedemann, Jochen:; Nordrhein-Westfalen: Forschungsberichte des Landes •.. © 1982 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Herstellung: Westdeutscher Verlag Lengericher Handelsdruckerei, 4540 Lengerich ISBN 978-3-531-03103-3 ISBN 978-3-322-87701-7 (eBaak) 00110.1007/978-3-322-87701-7 - III - Inhalt 1. Einlei tung 2. Bezeichnungen 4 3. Theoretische Untersuchungen 8 3.1 Dimensionslose Kennzahlen 8 3.2 Die Berechnung der laminaren Grenzschicht mit einem Differenzenverfahren • • • . .• 10 3.3 Asymptotische Losungen der Grenzschicht- gleichungen (laminare Grenzschicht) • • •• 11 3.3.1 Wandbindung • . • • . .•••• 11 3.3.2 Asymptotische Losungen fUr starkes Absaugen .•.•. ••.• 14 3.3.3 Asymptotische Losungen fUr starkes Ausblasen (bzw. Absaugen) ...• 15 3.4 Optimierungsalgorithmen (laminare Grenzschicht) 17 3.5 Das inverse Verfahren (laminare Grenzschicht) 18 3.6 Berechnungen der turbulenten Grenzschicht mit dem Verfahren von P. Bradshaw. • 19 3.7 Untersuchungen an Joukowsky-Profilen 20 3.7.1 Laminare Grenzschicht 20 3.7.2 Turbulente Grenzschicht 29 3.8 Untersuchungen am Kreiszylinder 31 3.8.1 Homogenes Absaugen bei potential theoretischer Druckverteilung 31 3.8.2 Homogenes Absaugen bei realen Druckverteilungen. . •• 32 3.8.3 Kombiniertes Ausblasen-Absaugen (Rechnungen nach dem inversen Verfahren) 35 3.8.4 Ergebnisse der Optimierung .. . 39 4. Experimentelle Untersuchungen am Kreiszylinder 41 4.1 Versuchsaufbau 41 4.1.1 Windkanal 41 4.1.2 Kreiszylindermodell fur Ausblasen- Absaugen 43 4.1.3 MeBaufbau 46 4.2 Versuchsprogramm 50 4.3 Auswertung der Messungen 54 - IV - 4.4 Versuchsergebnisse . • . . . 55 4.4.1 Qualitative Ergebnisse der Stromungs- sichtbarmachung 55 4.4.2 MeBergebnisse . . . . 59 5. Diskussion der Ergebnisse und Zusammenfassung 67 6. Literaturverzeichnis 69 Anhang 76 Tabellen 79 - 1 - 1. Einleitunq In vie len Bereichen der Stromunqstechnik ist bei der Umstromunq von Korpern ein kleiner Widerstand erwUnscht. Kleiner Widerstand bedeutet Enerqieersparnis, wie etwa in der Fluqtechnik, in der Fahrzeuqtechnik oder im Stromunqsmaschinenbau. Aber kleine Widerstandskrafte konnen auch aus anderen GrUnden erstrebens wert sein, etwa in der Bauwerkaerodynamik oder im BrUckenbau. Der Widerstand eines umstromten Korpers besteht aus zwei Anteilen, dem Reibunqswiderstand und dem Druckwiderstand. Der erste Anteil ergibt sich aus einer Integration der Wandschubspannungsvertei lung auf der Korperkontur. Der zweite Anteil wird durch die Druck verteilung auf der Korperkontur bestimmt und ist bei Unterschall stromung dadurch von Null verschieden, daB die Stromung vom Korper ablost bzw. infolge sehr dicker Grenzschichten vom Korper ·stark abgedrangt wird. Der Druckwiderstand eines Korpers laBt sich dadurch drastisch reduzieren, daB man im Heckbereich des Korpers, in dem normaler weise Ablosung auf tritt, abgesaugt wird. Zu diesem Zweck muB die Oberflache fUr das Fluid durchlassig sein. Die Moglichkeit, durch Absaugen die Ablosung zu verhindern und damit den Druck widerstand drastisch zu reduzieren, ist seit langem bekannt und auch schon technisch benutzt worden, siehe die zusammenfassenden Darstellungen in [1] und [9] • Eine Reduktion der Wandschubspannung kann auf zwei verschiedenen Wegen erfolgen. Die bekanntere und forschungsmaBig bereits er probte Methode ist die der Laminarisierung der Grenzschicht (Laminar Flow Control), meistens ebenfalls durch Absaugen. Die Laminarisierung hat jedoch Grenzen, wenn man es, wie in der Technik meistens, mit sehr hohen Reynolds-Zahlen zu tun hat. - 2 - Die andere Moglichkeit, die hier weiter verfolgt werden soll, besteht darin, durch die ebenfalls als durchlassig angenommene Oberflache auszublasen. Durch das Ausblasen wird die Grenz schicht am Korper kUnstlich verdickt, was eine Reduktion der Wandschubspannung zur Folge hat. Im vorliegenden Bericht wird die folgende Kombination von Stromungsbeeinflussungen zur Reduktion des Widerstandes urn stromter Korper untersucht: Im vorderen Teil des Korpers mit durchlassiger Oberflache wird senkrecht zur Wand ausgeblasen, urn den Reibungswiderstand zu reduzieren. Im Heckteil des Korpers wird (z.B. die gleiche Menge) wieder eingesaugt, urn Ablosung zu vermeiden und den Druckwiderstand zu reduzieren. Die vorliegenden Untersuchungen knUpfen an Arbeiten an, die im Institut fUr Thermo- und Fluiddynamik der Ruhr-Universitat Bochurn zu diesem Konzept bereits angestellt worden sind: [2, 4, 5, 23, 27]. Auch in USA ist ein ahnliches Konzept experi mentell untersucht worden [3]. Im theoretischen Teil des vorliegenden Berichtes werden aus fUhrliche Berechnungen der laminaren und der turbulenten Grenz schicht mit Ausblasen und Absaugen mitgeteilt. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei der Frage, bis zu welchen Volurnenstromen des Absaugens bzw. Ausblasens die Stromung von der klassischen Grenzschichttheorie beschrieben werden kann. Ferner werden optimale Ausblase-Absauge-Verteilungen diskutiert, die bei gegebenem Absauge-Ausblase-Volumenstrom minimalen Reibungswiderstand zur Folge haben. Beispielrechnungen an einem symmetrischen dUnn en Joukowsky Profil und am Kreiszylinder sollen zeigen, wie gut kombiniertes Ausblasen und Absaugen einerseits den reinen Reibungswiderstand von Stromlinienkorpern und andererseits den Druckwiderstand von sturnpfen Korpern reduzieren kann. - 3 - Die exper~entellen Arbeiten umfassen Druck- und Geschwindig keitsmessungen an einem porosen Kreiszylindermodell. Es wird gezeigt, in welchem MaBe der Wider stand im Experiment durch verschiedene Ausblase-Absauge-Konfigurationen reduziert werden konnte. Die MeBergebnisse werden diskutiert und mit der Theorie verglichen. - 4 - 2. Bezeichnungen GroBe Einheit Bedeutung A Parameter fUr sin-forrnige Schub spannungsverteilung b rn Breite senkrecht zur Strornungsebene B rn Breite der KanalrneBstrecke Schubspannungsbeiwert Druckbeiwert Volurnenstrornbeiwert Widerstandsbeiwert Druckwiderstandsbeiwert Reibungswiderstandsbeiwert rn Profildicke D rn AUBendurchrnesser f rn Brennweite H rn Hohe der KanalrneBstrecke rn Rauhigkeitshohe Effizienz der Ausblase-Absauge verteilung ~ Effizienz der Absauge-Verteilung 1 rn Dicke der porosen Schicht L rn Profiltiefe rn Lange der Ausblase-Absaugeflache Pg - P n Druckkorrektur nach [17](n = w) Pg - Pcx> p Druck t.p Druckdifferenz Druck in der Anstrornung - 5 - GroBe Einheit Bedeutung r m Radius Q ausgeblasener oder abgesaugter Volumenstrom Re Reynolds,'Zahl Re02 Reynolds-Zahlgebildet mit Energie- :::~::::::::d ~v!u:; (Tu Tu I U"" u m/s skalare Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung U m/s Geschwindigkeit, z.B. am AuBenrand der Grenzschicht U m/s Anstromgeschwindigkeit "" U m/s bezogene AuBengeschwindigkeit, 6 = U/U"" v m/s skalare Geschwindigkeitskomponente in y-Richtung v m/s Geschwindigkeitskomponente v an der w Wand v * w W N I'iiderstand N Druckwiderstand N Reibungswiderstand x m kartesische Koordinate in der Grenzschicht entlang der Korper kontur m kartesische Koordinate entlang der Profilsehne (x x bezogene Koordinate x/L) y m kartesische Koordinate - 6 - GroBe Einheit Bedeutung 15 m Grenzschichtdicke 15 1 m verdrangungsdicke 152 m Impulsverlustdicke 15 3 m Energieverlustdicke e: Porositat 1; Widerstandszahl 11 transformierte Koordinate (Il=~) e e Winkel zwischen Laser-Strahlen A Parameter der Ausblase-Absauge- intensitat 2 \) m Is kinematische Viskositat 2 ljJ m Is Stromfunktion 3 p kg/m Dichte T N/m2 Schubspannung T N/m2 Wandschubspannung 'II cp Polarwinkel im Uhrzeigersinn
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