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Die Erfindung betrifft die Beeinflussung von Strömungen von Fluiden mittels an Strukturen angebrachten Aktuatoren.
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In Strömungen von Fluiden, beispielsweise Flüssigkeiten, Gasen oder Mehrphasenströmungen, treten verschiedenartige Phänomene auf. Beispiele dafür sind sich entlang von Strukturen oder Körpern bildende Grenzschichten, eine Strömungsablösung, wodurch Ablöseblasen hervorgerufen werden können, oder der laminar-turbulent Umschlag von Grenzschichten, die mit zunehmender Lauflänge turbulent werden. Zudem können periodische Wirbelbildungen oder transsonische Effekte auftreten.
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In technischen Anwendungen ist es oft wünschenswert, diese Strömungsphänomene gezielt zu beeinflussen bzw. das Auftreten dieser Phänomene zu unterdrücken. Beispielsweise soll zur Widerstandsreduktion die Grenzschicht von umströmten Körpern laminar gehalten werden. Andererseits wird eine erhöhte Turbulenz bei Anwendungen gewünscht, bei denen Mischungsvorgänge eine wesentliche Rolle spielen. Im Bereich der Aerodynamik ist ein Ziel der Strömungsbeeinflussung die Maximierung des Auftriebs von Flügeln, indem Strömungsablösungen verhindert werden.
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Es ist bekannt, zur Strömungsbeeinflussung Aktuatoren zu verwenden, die an bzw. in der umströmten Struktur vorgesehen sind. Beispielsweise werden als Aktuatoren geometrische Vortex-Generatoren eingesetzt, mit deren geometrischer, abstehender Struktur die Wirbelbildung beeinflusst wird. Ein Nachteil dieser Vortex-Generatoren ist jedoch, dass die Struktur im Bereich des Aktuators leicht verschmutzen kann oder beschädigt werden kann und dann nicht mehr die Funktion im gewünschten Maß bzw. in der gewünschten Art erfüllt. In manchen Fällen können sogar gegenteilige Effekte hervorgerufen werden. Eine andere Art von Aktuatoren sind Aktuatoren, bei denen lokal ein Fluid stationär ausgeblasen und/oder abgesaugt wird. Für diese Aktuatoren werden jedoch verhältnismäßig hohe Flussraten, abhängig von der zu beeinflussenden Strömung, und ein hoher Leistungsbedarf benötigt. Außerdem ist die Oberfläche der Struktur durch den Aktuator beeinträchtigt und nicht mehr glatt, so dass durch den Aktuator selbst Strömungsphänomene ausgelöst werden können, auch wenn er nicht aktiv ist. Andere Arten von Aktuatoren sind sogenannte Zero Mass Flux Jets, Pneumatic/Pulsating Jets oder sogenannte Shape Control Bumps. Solche Aktuatoren sind jedoch verhältnismäßig komplex bzw. aufgrund ihrer Anfälligkeit für Verschmutzung, Verstopfung oder Beschädigung für den Einsatz in technischen Anwendungen nicht ausreichend robust.
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Andererseits ist es bekannt, mit in Strukturen integrierten Piezoelementen Strukturen derart zu verformen, dass den auf die Struktur einwirkenden Kräften entgegengewirkt wird, indem die durch die einwirkenden Kräfte an der Struktur erzeugten Verformungen durch die Verformungen der Struktur, welche mittels der Piezoelemente erzielt werden, kompensiert werden.
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Aus der
DE 101 06 605 A1 ist ein als optisches Element, beispielsweise für die Halbleiterlithographie, verwendeter Spiegel bekannt. Dabei ist vorgesehen, Piezoelemente in die Struktur des Spiegels zu integrieren, so dass Schwingungen der Spiegelstruktur durch entgegengesetzt wirkende Schwingungen, welche mittels der Piezoelemente erzeugt werden, kompensiert werden. Die Schwingungen entstehen beispielsweise durch in Kühlmittelkanälen strömendes Kühlmittel, das aufgrund einer Umlenkung zumindest bereichsweise von einer laminaren in eine turbulente Strömung übergeht. Die Piezoelemente werden jedoch nicht dazu eingesetzt, die Struktur derart zu verformen, dass die Strömung im Kühlmittelkanal beeinflusst wird. Vielmehr werden die durch die Strömung hervorgerufenen Effekte, nämlich die in das Bauteil eingeleiteten Schwingungen, kompensiert.
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Aus der
DE 100 62 786 A1 ist es ebenfalls bekannt, Schwingungen durch Sensoren zu detektieren, die in ein optisches Element integriert sind, und diese durch Anregung und Aktivierung von piezoelektrischen Elementen in Abhängigkeit von den erfassten Schwingungen zu dämpfen. Dazu werden mittels eines adaptronischen Regelkreises die Piezoelemente derart aktiviert, dass in die Struktur entgegengesetzt wirkende Frequenzen zu den durch die Schwingungen eingebrachten Eigenfrequenzen eingeleitet werden bzw. eine dadurch hervorgerufene Deformation durch eine entgegengerichtete Deformation der Struktur mit Hilfe der Piezoelemente gedämpft wird.
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Die
DE 103 04 530 A1 beschreibt schließlich, wie stapelförmige d33-Piezoaktuatoren (sogenannte „Piezostacks“) auf der druckseitigen und/oder saugseitigen Deckhaut eines Tragflügels angeordnet werden, um die Form des aerodynamischen Profils an verschiedene Umgebungsbedingungen anzupassen und zu optimieren, um beispielsweise den Auftrieb zu maximieren. Die Piezoaktuatoren können gemäß der
DE 103 04 530 A1 auch im Inneren der Struktur derart eingebettet sein, dass die Struktur, d.h. der Tragflügel, global formverändert wird. Diese Formänderung wirkt sich jedoch nicht lokal auf die Oberfläche des Flügels aus. Die
DE 103 04 530 A1 dient somit dazu, eine globale Strukturverformung am aerodynamischen Profil, wie z.B. eine Torsion des Rotorblatts oder eine Verwölbung des Profils durch niederfrequente Beaufschlagung des Piezoelements oder der Piezoelemente hervorzurufen.
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Die
JP H09-79220 A beschreibt ein Verfahren zur Verhinderung von Strömungsablösung mittels sich entgegen der Strömungsrichtung an einer Strömungsoberfläche, über die die Strömung strömt, ausbreitenden, wandernden Wellen. Zur Erzeugung der Wellen sind unter der Strömungsoberfläche Paare von Piezoelementen angeordnet, die phasenverschoben angeregt werden. Jeweils ein Paar ist auf einer Elektrodenplatte angeordnet. Ferner ist in der
DE 197 03 766 C1 , der
DE 33 16 393 C2 , der
DE 32 28 939 C1 und der
WO 02/103304 A2 jeweils offenbart, eine Oberfläche zur Strömungsbeeinflussung lokal mittels Piezoelementen zu verformen.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Strömungsbeeinflussung sowie eine Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung vorzusehen, welche mechanisch robust sind, im deaktivierten Zustand keine unerwünschte Strömungsbeeinflussung hervorrufen und vielfältig einsetzbar sind.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein aerodynamisches Profil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Piezoelemente nicht ausschließlich dazu zu verwenden, eine Struktur den vorhandenen Strömungsbedingungen anzupassen oder unerwünschte, durch Beanspruchung entstehende Verformungen, zumindest teilweise zu kompensieren, sondern vielmehr die Strömung entlang der Grenzschicht zur Struktur aktiv zu beeinflussen. Dies geschieht, indem durch die Verwendung von Piezoelementen eine mit der Strömung in Berührung gelangende Oberfläche derart verformt wird, insbesondere hochfrequent verformt wird, dass die Strömung zumindest lokal umgelenkt wird und/oder ein Impulseintrag in die Strömung erfolgt, so dass diese beeinflusst wird.
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Dazu wird erfindungsgemäß zumindest ein Piezoelement derart mit einer Struktur verbunden, dass es die mit der Strömung in Berührung gelangende Oberfläche der Struktur verformen kann, wenn es betätigt wird. Unter Piezoelement soll im Sinne dieser Erfindung nicht nur Piezokeramik, beispielsweise d31-Piezostacks oder d33-Piezostacks oder Piezofasern, verstanden werden, sondern auch andere aktive Polymere bzw. elektrische Polymere, wie beispielsweise PVDF (Polyvinyldenfluorid), welche durch Einwirkung von Elektrizität, insbesondere beim Anlegen einer elektrischen Spannung, verformbar sind. Die Verformung oder Formänderung des Piezoelements wird an die zu beeinflussende Oberfläche der Struktur weitergegeben, was wiederum dazu führt, dass die Strömung lokal an der verformten Oberfläche umgelenkt wird und/oder ein Impuls in die Strömung, insbesondere bei pulsierender Bewegung der Oberfläche, eingebracht wird.
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Besonders bevorzugt ist es, die Struktur zumindest lokal hochfrequent, d.h. mit einer Frequenz von einigen 100 Hz bis einigen Kilohertz, zu verformen, indem beispielsweise lokale Beulen, Dellen oder Wellen in die Oberfläche der Struktur eingebracht werden. Die Verformung kann zweidimensional oder dreidimensional in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung sein. Als zweidimensional wird eine Verformung bezeichnet, bei der zu einem gleichen Zeitpunkt senkrecht zu einer Oberflächenrichtung der Struktur genommene, zueinander parallele Querschnitte durch die verformte Oberfläche ein identisches Verformungsprofil aufweisen. Als dreidimensional werden Verformungen bezeichnet, bei denen sich diese Verformungsprofile unterscheiden können.
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Da die Piezoelemente unter eine glatte, passive Oberfläche einer Struktur eingebracht werden können, die sich bei Verformung der Piezoelemente mitbewegt, bleibt die Oberfläche geschlossen und glatt, trotz der Möglichkeit der aktiven Strömungsbeeinflussung. Dies bietet den Vorteil, dass keine Erosion oder kein Verstopfen von Bohrungen auftritt und im deaktivierten Zustand keine Störung der Strömung durch das nicht aktivierte Piezoelement vorliegt. Die Struktur kann beispielsweise ein Faserverbundwerkstoff sein, in die Piezoelemente eingebettet bzw. integriert sind.
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Somit kann der Aktuator mit dem Piezoelement multifunktional eingesetzt werden, d.h. einerseits für eine quasi-statische, langsame Ansteuerung zur lokalen Formkontrolle der Struktur, beispielsweise der aerodynamischen Oberfläche, wodurch eine Beeinflussung der wandnahen Strömung, insbesondere der Grenzschicht, möglich ist und beispielsweise die Stoß-/Grenzschicht-Wechselwirkung oder ein transsonischer Stoß kontrolliert werden können.
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Gleichzeitig kann mit dem selben Aktuator bei hochfrequenter Anregung eine stehende oder sich fortpflanzende bzw. wandernde zwei- oder dreidimensionale Welle erzeugt werden, die nach Bedarf in Strömungsrichtung, quer oder schräg dazu verlaufen kann und in der Frequenz an die Strömung angepasst sein kann. Dabei soll der Begriff „in Strömungsrichtung“ auch eine Ausbreitung entgegen dieser Richtung beinhalten. Bei der Anwendung zusammen mit aerodynamischen Profilen können dadurch für unterschiedliche Flugphasen unterschiedliche Wellenarten erzeugt werden. Als Beispiel sei die gezielte Beeinflussung von aerodynamischen 3D-Moden genannt.
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Die Strömungsbeeinflussung erfolgt mit der Strömungsdynamik, insbesondere der Aerodynamik bei beispielsweise aerodynamischen Profilen, entsprechenden Mitteln, da die Lasten auf die Strömung als Drucklasten aufgebracht werden bzw. der Impuls in die Strömung durch Wandbewegung eingetragen wird. Somit kann direkt auf Instabilitäten der Umströmung eingewirkt werden, beispielsweise auf konvektive Instabilitäten.
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Aufgrund der Tatsache, dass keine Strukturen vorstehen oder Bohrungen bzw. Schlitze vorgesehen werden müssen, aber vorgesehen sein können, ist die Struktur mechanisch sehr robust und unempfindlich. Die elektrische Leistungsversorgung erfolgt kompakt vom Inneren der Struktur her, indem unter einer passiven, durch den Piezoaktuator mitbewegten Oberfläche der Piezoaktuator und wiederum darunter eine elektrische Kontaktierungsschicht in Form eines Gitters oder Netzes angebracht werden. Somit kann die Leistungsversorgung und somit die Aktivierung stabil und durch einfache Verdrahtung erzielt werden und ist beispielsweise auch in bewegten Bauteilen, wie z.B. im drehenden Rotor von Helikoptern, einfach zu realisieren.
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Erfindungsgemäß sind mehrere, getrennt voneinander ansteuerbare und aktivierbare und in ihrer Lage aufeinander abgestimmte Piezoelemente vorgesehen, die gitter-, schachbrett- oder „patchwork“-förmig angeordnet und aufeinander abgestimmt betätigbar sind. Die Piezoelemente sind im nicht aktivierten Zustand eine Fläche bildend, benachbart nebeneinander angeordnet, wobei die gebildete Fläche auch gekrümmt sein kann. Durch eine derartige Anordnung kann eine wandernde Welle, auch eine wandernde schräge Welle bzw. eine wandernde sich teilende Welle realisiert werden. Außerdem kann eine stehende Welle nach Bedarf erzeugt werden.
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Vorzugsweise werden die Piezoelemente zu einer quasi-statischen, langsamen Formänderung und/oder einer hochfrequenten Formänderung angesteuert. Dies bietet eine Flexibilität im Hinblick auf die Verwendung des Piezoelements und eine genaue Strömungsbeeinflussung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine sich fortpflanzende Welle in Strömungsrichtung auf der Oberfläche der Struktur oder quer zur Strömungsrichtung bzw. schräg zur Strömungsrichtung erzeugt. Die Frequenz der Wellenfortpflanzung ist ebenfalls durch die gezielte Ansteuerung der Piezoelemente vorzugsweise einstellbar.
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Weiter bevorzugt werden die Piezoelemente oder die Anordnung aus Piezoelementen in Abhängigkeit von Daten, die durch einen Strömungssensor oder mehrere Strömungssensoren erfasst werden und in einer Regelungseinheit ausgewertet werden, aktiviert. Damit kann unmittelbar auf die jeweils aktuelle Strömung reagiert werden, so dass beispielsweise die Strömung laminar gehalten werden kann oder an einem einstellbaren Punkt ein laminar-turbulent Umschlag erfolgt.
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Zur getrennten Ansteuerung von mehreren Piezoelementen wird vorzugsweise eine Multiplex-Einheit vorgesehen, mit welcher eine separate, jedoch aufeinander abgestimmte Ansteuerung der Piezoelemente möglich ist.
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Bevorzugt kommt die Erfindung in aerodynamischen Profilen zum Einsatz. Darüber hinaus ist beispielsweise auch ein Einsatz im Triebwerkseinlauf oder in Rohrströmungen möglich.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
- 1 in einer Querschnittsansicht den schematischen Aufbau eines Piezoaktuators zeigt;
- 2 ein Beispiel für die Regelung und Energieversorgung des Aktuators aus 1 schematisch zeigt;
- 3 in einer Unteransicht eine Anordnung aus mehreren Piezoelementen gezeigt ist, wobei eine elektrische Kontaktierungsschicht durch Pfeile schematisch angedeutet ist;
- 4 eine Anordnung mit einem Piezoelement in Strömungsrichtung in einer Seitenquerschnittsansicht zeigt;
- 5 Aktivierungsmöglichkeiten für eine Struktur, die zwei Piezoaktuatoren in Strömungsrichtung hintereinander aufweist, darstellt;
- 6 eine Anordnung aus drei in Strömungsrichtung hintereinander angebrachten Piezoaktuatoren zeigt;
- 7 eine alternative Anordnung zeigt, wenn zwei Piezoaktuatoren in Strömungsrichtung hintereinander angebracht sind;
- 8 eine alternative Anordnung zeigt, wenn drei Piezoaktuatoren in Strömungsrichtung hintereinander angebracht sind;
- 9 eine Grundform der Aktivierung in Form einer sich fortpflanzenden Welle veranschaulicht;
- 10 eine weitere Grundform der Aktivierung in Form einer stehenden Welle bei einer Anordnung mit mehr als einem Piezoaktuator zeigt;
- 11 eine Aktivierungsform für die Piezoaktuatoren zeigt, wenn mehrere Piezoaktuatoren in Strömungsrichtung und quer zur Strömungsrichtung als Anordnung angeordnet sind;
- 12 eine weitere Aktivierungsmöglichkeit zeigt, wenn mehrere Piezoelemente schachbrettförmig in Strömungsrichtung und quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind; und
- 13 weitere verschiedene Aktivierungsmöglichkeiten zeigt, wenn mehrere Piezoelemente in Form einer Schachbrett-Anordnung verwendet werden.
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1 zeigt schematisch eine Anordnung, die zur Strömungsbeeinflussung geeignet ist. Die Anordnung weist eine Oberfläche 12 oder Deckhaut einer Struktur 16 auf, wobei auf der der Strömung uinf abgewandten Seite der Deckhaut 12 zumindest entlang eines Teils der Deckhaut ein Piezoelement 14 angebracht ist. Als Piezoelement kommt dabei neben herkömmlichen Piezokeramiken, wie beispielsweise d31- oder d33-Stacks oder Piezofasern, auch ein aktives Polymer oder ein elektrisches Polymer in Betracht. Ein Beispiel dafür ist PVDF. Das Piezoelement 14 ist ein Element, das bei elektrischer Spannungsbeaufschlagung seine Form verändert.
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Die Deckhaut 12 ist eine passive Oberfläche, die zumindest derart flexibel ist, dass sie der Verformung des Piezoelements 14 folgt und sich dieser anpasst (multimorpher Bieger). Die Deckhaut 12 kann z.B. aus einem anisotropen Faserverbundmaterial, aus Aluminium oder Titan bestehen. Wenn das Piezoelement 14 sich aufgrund der elektrischen Spannungsbeaufschlagung verformt, wird somit die Oberfläche 12 mit verformt (z.B. verbogen). Die passive Oberfläche oder Deckhaut 12 ist an mehreren Lagerstellen 16' mit dem Rest der Struktur verbunden, so dass sie in dem Verbindungsbereich mit den Lagerstellen 16' nicht verformbar ist und somit relativ zur Struktur festgelegt ist. Das Piezoelement 14 kann sich auch bis zu den Lagerstellen 16' erstrecken bzw. diese zumindest teilweise bedecken, was nachfolgend jedoch nicht dargestellt ist. Auf der der Deckhaut 12 abgewandten Seite des Piezoelements 14 ist eine elektrische Kontaktierungsschicht 18 angebracht, über die das Piezoelement 14 kontaktiert wird. Die elektrische Kontaktierungsschicht 18 kann beispielsweise als flexible Schicht oder als Verdrahtung ausgeführt sein, und wird beispielsweise mittels bekannter Dampfabscheidungsverfahren oder mittels Siebdruck aufgetragen. Selbstverständlich kann zusätzlich eine weitere Kontaktierungsschicht (nicht dargestellt) auf der der Deckhaut 12 zugewandten Seite des Piezoelements 14 vorgesehen sein, beispielsweise zur Beaufschlagung des Piezoelements 14 mit unterschiedlicher Polarität.
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Nach Bedarf, insbesondere um die Anordnung im Bereich der beweglichen Oberfläche mechanisch robuster zu gestalten, bzw. um die Kontaktierungs- oder Verdrahtungsschicht 18 zu schützen, kann zusätzlich eine weitere Schicht 20 nach Bedarf im Anschluss an die Verdrahtungsschicht vorgesehen werden. Diese Schicht 20 kann sich nach Bedarf aus mehreren Schichten, gegebenenfalls mit unterschiedlicher Funktionalität, zusammensetzen. Die Schicht 20 besteht typischerweise aus Gasfaserverbundmaterial. Analog kann auch zwischen der Deckhaut 12 und einer der Deckhaut 12 zugewandten Kontaktierungsschicht, falls diese vorhanden ist, eine Isolationsschicht z.B. aus Glasfaserverbundmaterial (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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Wenn das Piezoelement 14 nicht aktiviert ist, ist der Bereich der Deckhaut 12, der verformbar, insbesondere biegbar und gegebenenfalls dehnbar ist, nicht von demjenigen Oberflächenbereich der Struktur 16 zu unterscheiden, der nicht biegbar ist, da das Piezoelement 14 und die zugehörige elektrische Kontaktierung unter der gemeinsamen Deckhaut 12 angebracht sind und somit zur Oberfläche hin nicht sichtbar sind. Dies bedeutet, dass die Oberfläche, entlang derer die Strömung uinf strömt, glatt und ungestört ist, unabhängig davon, ob der Piezoaktuator aktiviert oder deaktiviert ist. Gleichzeitig kann unmittelbar lokal auf die Strömung eingewirkt werden, da die Oberfläche 12 in denjenigen Teilbereichen der Struktur 16 verformbar ist, in denen im Betrieb des jeweiligen Elements eine Strömungsbeeinflussung wünschenswert oder notwendig ist.
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2 zeigt die Anordnung des Piezoelements 14 in der Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung, wobei zusätzlich Mittel zur elektrischen Aktivierung schematisch dargestellt sind. Die zusätzliche Schutz- oder Verstärkungsschicht 20 ist aus Klarheitsgründen in 2 und den folgenden Figuren nicht dargestellt. Der durch die Kontaktierungsschicht 18 elektrisch kontaktierte Piezoaktuator 14 wird über die Energieversorgung 22 (typischerweise eine Spannungsquelle), unter Zwischenschaltung eines Mehrkanalverstärkers 24 und einer Multiplexereinheit 26, mit Spannung beaufschlagt. Mit der Multiplexeinheit 26 ist es möglich, eine wiederholt konfigurierbare Zuordnung der Verstärkerkanäle zu bestimmten ausgewählten Gruppen von Aktuatoren vorzusehen, was insbesondere dann wünschenswert ist, wenn die Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung mehrere Piezoelemente 14 enthält, die als Anordnung vorgesehen sind, beispielsweise in Form eines Gitters, eines Schachbrett- oder „Patchwork“-Musters aus mehreren Piezoelementen in Strömungsrichtung und quer dazu, die unabhängig voneinander aktiviert werden können.
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Wie es in 2 dargestellt ist, wird es bevorzugt, dass mittels eines Reglers 28, an den von Strömungssensoren 30 erfasste Messwerte zugeführt werden und von dem diese ausgewertet werden, die Aktivierung der Piezoelemente 14 in Abhängigkeit von dem durch die Strömungssensoren 30 erfassten Strömungszustand durchgeführt wird. Damit kann unmittelbar auf die aktuell vorliegenden Strömungsbedingungen reagiert werden, damit die Strömung gezielt beeinflusst werden kann.
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Aus 3 ist eine Unteransicht auf die Deckhaut 12 einer Struktur 16 erkennbar. Auf der Deckhaut 12 sind auf der der Strömung abgewandten Seite eine Vielzahl von Piezoelementen 14 angeordnet, hier in Form eines Schachbrettmusters. Aufgrund der elektrischen gitterförmigen Kontaktierungsschicht 18, was in 3 durch Pfeile angedeutet ist, ist es möglich, die Aktuatoren in Strömungsrichtung und quer dazu unabhängig voneinander anzusteuern und somit zweidimensionale Wellen, d.h. Wellen, die sich in einer Richtung fortpflanzen, oder dreidimensionale Wellen, die sich unabhängig voneinander beispielsweise schräg fortpflanzen, zu erzeugen.
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Grundsätzlich ist die Anzahl der Piezoelemente 14 in Strömungsrichtung und quer dazu nicht eingeschränkt. Auch ihre Lage zueinander ist frei wählbar. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn eine Reihe aus mehreren nebeneinander angeordneten Piezoelementen, beispielsweise quer zur Strömungsrichtung und/oder in Strömungsrichtung, verwendet wird, wobei die einzelnen Elemente bzw. Aktuatoren unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
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Mit Strömungsrichtung wird dabei stets die Hauptströmungsrichtung, beispielsweise die freie, ungestörte Anströmung eines Tragflügels, bezeichnet.
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In 4 bis 8 sind verschiedene Grundmöglichkeiten des Aktivierens der Piezoelemente 14 gezeigt. In allen Figuren sind die elektrische Kontaktierungsschicht sowie eine zusätzliche Verstärkungsschicht ebenso wie die elektrischen Aktivierungsmittel aus Einfachheitsgründen nicht dargestellt.
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Ferner ist mit einem Pfeil Z die Auslenkungsrichtung der Piezoaktuatoren oder Piezoelemente 14 bezeichnet. Mit durchgezogenen Linien ist ein erster Auslenkungszustand angegeben, während mit gestrichelten Linien jeweils ein zweiter Auslenkungszustand dargestellt ist.
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4 zeigt eine Anordnung, bei der ein Piezoaktuator in die Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung gemäß 2 integriert ist, oder bei der eine Reihe von Piezoaktuatoren mit Piezoelementen 14 vorgesehen ist, wobei die Piezoaktuatoren in einer Reihe liegen, die sich in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene aus 4 erstreckt. Die Piezoaktuatoren einer Anordnung können bei allen Ausführungsformen aus mehreren zueinander gleichen oder verschiedenen Aktuatoren, z.B. im Hinblick auf Form oder Art, bestehen.
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Entlang der Strömungsrichtung, die mit uinf angegeben ist, ist in 4 jedoch nur ein Piezoaktuator zwischen zwei Lagerstellen 16' der Struktur 16 oder dem Anschluss an Strukturbereiche mit nicht auslenkbarer Oberfläche vorgesehen. Abhängig von der Aktivierung des Piezoelements 14 und der damit einhergehenden Mitbewegung der Deckhaut 12 können beispielsweise Beulen, wie sie in 4 gezeigt sind, auf der Oberfläche der Struktur erzeugt werden. Insbesondere werden damit lokale Verformungen erreicht. Die Aktivierung der Piezoelemente 14 kann, wie bei allen anderen Ausführungsformen vorzugsweise hochfrequent, d.h. im Bereich von einigen 100 Hz bis zu einigen Kilohertz, erfolgen, so dass die in 4 gezeigten Zustände mit durchgezogenen Linien und gestrichelten Linien sich rasch abwechseln.
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Durch die hochfrequente Aktivierung sind hohe Normalgeschwindigkeiten, d.h. Geschwindigkeiten senkrecht zur Strömungsrichtung, und ein damit einhergehender hoher Impulseintrag realisierbar. Nach Bedarf können dabei zusätzlich Resonanzfrequenzen ausgenutzt werden.
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5 zeigt für eine Anordnung aus zwei in Strömungsrichtung hintereinander vorgesehenen Piezoelementen 14 verschiedene Aktivierungsmöglichkeiten. Neben der Möglichkeit, zwischen den zwei Lagerstellen 16' der Struktur 16 bzw. Übergängen an die nicht verformbare Struktur 16 eine Welle (beispielsweise Sinuswelle) durch konträre Aktivierung der Piezoelemente 14 zu erzeugen, können die Piezoelemente auch in gleicher Richtung aktiviert werden, wie es im unteren Bereich von 5 dargestellt ist. Somit ist es möglich, unterschiedliche Wellenlängen bereits bei einer Anordnung aus zwei in Strömungsrichtung hintereinander geschalteten Piezoelementen 14 zu erzeugen. Sind mehrere Piezoelemente 14 in einer anderen Oberflächenrichtung als der Richtung der Hauptströmung vorgesehen, so sind im Prinzip die gleichen Anregungsformen, wie sie für die verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, möglich. Die voranstehende Beschreibung gilt selbstverständlich analog für eine Anordnung aus zwei quer zur Strömungsrichtung hintereinander vorgesehenen Piezoelementen 14.
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6 zeigt eine Anordnung aus in Strömungsrichtung drei oder drei Reihen von Piezoelementen 14 zwischen den Lagerstellen 16' der Struktur. In der dargestellten Ausführungsform werden diese alternierend aktiviert, so dass sich eine Wellenform ergibt. Eine gleichgerichtete Aktivierung bzw. eine Aktivierung des mittleren Piezoelements 14 allein mit der Folge der Erzeugung von unterschiedlichen Wellenstrukturen sind ebenfalls möglich. Grundsätzlich müssen bei mehreren Piezoelementen 14 zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht alle Piezoelemente 14 gleichzeitig aktiviert werden, sondern vielmehr nur diejenigen, die zur Beeinflussung der aktuell vorliegenden Strömungssituation erforderlich sind. Da die Piezoelemente 14 unter der passiven, multimorphen, biegbaren Deckhaut 12 liegen, tritt im nicht aktivierten Zustand der Piezos 14 keine Strömungsbeeinflussung auf. Auch die Beschreibung von 6 ist auf eine Anordnung aus quer zur Strömungsrichtung angeordneten Piezoelementen 14 in analoger Weise übertragbar.
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Alternative Anordnungen für zwei bzw. drei einzelne Piezoelemente 14 oder Reihen von Piezoelementen sind in 7 und 8 beispielhaft für ihre Anordnung in Strömungsrichtung gezeigt. Anders als bei der Ausführungsform gemäß 5 und 6 ist eine Stütze 17 zwischen zwei aneinandergrenzenden Piezoelementen 14 eingebracht. Dies trägt zur mechanischen Festigkeit bei. Die optionale Stütze 17 kann dabei so gestaltet sein, dass die Deckhaut 12 nur in einem bestimmten Aktivierungszustand der Piezoelemente durch die Stütze 17 abgestützt wird. Wenn verhältnismäßig große bewegbare Teiloberflächen vorhanden sind, kann es auch vorteilhaft sein, die zusätzlichen Stützen so vorzusehen, dass die Deckhaut 12 in jedem Aktivierungszustand abgestützt wird.
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Nachfolgend werden Möglichkeiten des zeitlichen Verlaufs der Aktivierung erläutert.
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In 9 und 10 sind mit unterschiedlicher Kontur Auslenkungsmodi für die Oberfläche, die durch Aktivierung der Piezoelemente erfolgt, zu drei verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. 9 zeigt dabei den Fall, bei dem die Piezoelemente, die nicht speziell dargestellt sind, derart aktiviert werden, dass sich eine in X-Richtung in 9 fortpflanzende Welle ergibt. Zu einem ersten Zeitpunkt ist eine Auslenkung der Oberfläche vorhanden, wie sie mit t1 dargestellt ist, die anschließend an den Zeitpunkt t1 zurückgeht und in eine andere Auslenkung zum Zeitpunkt t2 und schließlich zum Zeitpunkt t3 übergeht. Grundsätzlich ist es möglich, zu bestimmten Zeitpunkten nur bestimmte Piezoelemente zu aktivieren und damit einen bestimmten Oberflächenteil auszulenken, um z.B. eine sich fortpflanzende Welle zu erzeugen. Die Richtung der Fortpflanzung kann in Strömungsrichtung, quer zur Strömungsrichtung oder schräg dazu sein.
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10 zeigt eine alternative zeitliche Auslenkungsform, bei der eine stehende Welle in X-Richtung erzeugt wird. Die Welle bleibt somit ortsfest zu verschiedenen Zeitpunkten und verändert sich nur in der Höhe der Auslenkung in Z-Richtung. Es sind wiederum die Wellenformen zu drei verschiedenen Zeitpunkten t1, t2, t3 angegeben.
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11 zeigt schließlich eine Möglichkeit, bei der eine sich fortpflanzende zweidimensionale Welle erzeugt wird. Zweidimensional bedeutet, dass neben einer Auslenkung der Welle (Amplitude) in Z-Richtung eine Fortpflanzungsrichtung, bei dem in 11 gezeigten Beispiel die Hauptströmungsrichtung, gegeben ist, während quer zur Hauptströmungsrichtung die Piezos, die für die Auslenkung der Oberfläche vorhanden sind, synchron aktiviert werden. Dies führt bei einer schachbrettförmigen Anordnung von Piezoelementen, wie es in 11 dargestellt ist, dazu, dass sich ein Wellenband entlang der Strömungsrichtung, quer dazu oder unter beliebigen Winkeln zur Strömungsrichtung bewegt. In 11 sind die Wellenformen zu zwei Zeitpunkten t1, t2 schematisch angedeutet.
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Alternativ ist auch eine dreidimensionale Aktivierung möglich, was zu der in 12 beispielhaft dargestellten Erzeugung von sich schräg fortpflanzenden und sich verändernden Wellen oder schräg laufenden Wellen führt. Dabei werden die Piezoelemente 14 der Anordnung unabhängig voneinander, jedoch aufeinander abgestimmt, aktiviert, so dass Wellenformen erzeugt werden, die sich schräg zur Hauptströmungsrichtung uinf fortpflanzen. Wie aus 12 erkennbar ist, in der die Fortpflanzungsrichtung durch Pfeile F angegeben ist, kann sich eine Welle dabei auch aufspalten, so dass z.B. aus einem Wellenberg zum Zeitpunkt t1 zu einem späteren Zeitpunkt t2 zwei Wellenberge resultieren.
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13 zeigt beispielhaft weitere Anregungsformen zu bestimmten Zeitpunkten, die mit einer gitterförmigen, schachbrettförmigen oder „patchwork“-förmigen Anordnung von Piezoelementen erzielbar sind.
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Die erwähnten Anregungen können durch hochfrequente Ansteuerung ausgelöst werden, so dass eine hochfrequente aerodynamische Störung erzeugt wird, welche beispielsweise zur Grenzschichtbeeinflussung (Laminar-Turbulent-Übergang) oder zur Beeinflussung der laminaren oder turbulenten Ablösung, insbesondere des Orts der Ablösung, herangezogen werden kann. Die Strömung wird dabei durch die an der Wand vorhandenen Normalgeschwindigkeit durch die Bewegung der Wand sowie einen Impuls- und Energieeintrag in die Grenzschicht und gegebenenfalls das Fernströmungsfeld durch die Bewegung der Wand, entlang derer die Strömung strömt, beeinflusst. Ob Impuls und Energie nur in die Grenzschicht oder auch in das Fernströmungsfeld eingetragen werden, wird durch Wahl der Amplitude, der Form und der Frequenz der Ansteuerung der Oberfläche bestimmt.
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Neben der hochfrequenten Ansteuerung können gleiche Formveränderungen, wie sie oben diskutiert worden, auch durch eine quasi-statische Ansteuerung, d.h. eine verhältnismäßig langsame Ansteuerung, zur lokalen Formkontrolle der aerodynamischen Oberfläche genutzt werden. Durch eine solche quasi-statische Ansteuerung steht weniger der Impuls- und Energieeintrag in die Strömung sowie die Beeinflussung der Strömung durch eine Normalgeschwindigkeit an der Wand im Vordergrund als vielmehr die Beeinflussung der Strömung durch Erzeugen von Oberflächengeometrien (z.B. Dellen oder Beulen), wodurch beispielsweise die Ausbildung der Grenzschicht, die Stoßgrenzschichtwechselwirkung oder die transsonische Stoßsteuerung mitbestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Anordnung
- 12
- Oberfläche, Deckhaut
- 14
- Piezoelement
- 16
- Struktur
- 16'
- Lagerstelle
- 17
- Stütze
- 18
- Kontaktierungsschicht, Verdrahtungsschicht
- 20
- Schicht
- 22
- Energieversorgung
- 24
- Mehrkanalverstärker
- 26
- Multiplexeinheit
- 28
- Regler
- 30
- Strömungssensor