DE1475585C - Verfahren zur Vermeidung von Wirbelablösung durch Grenzschichtabsaugung in einem Strömungskanal mit plötzlicher Querschnittserweiterung - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ver- schwindigkeit vorzunehmen, die der Strömungs-

meidung von Wirbelablösung durch Grenzschicht- geschwindigkeit des Förderrnediums in einer stufen-

absaugung in einem Strömungskanal mit plötzlicher nahen Schicht entspricht, deren Dicke das 0,2fache

Querschnittserweiterung, dessen Wandung eine der Stufenhöhe beträgt. Auch soll die Absaugung

scharfkantige, etwa senkrecht zur Strömungskanal- 5 durch den Spalt so erfolgen, daß nur 1 bis 2 % des

längsachse verlaufende Stufe aufweist. über ,die Stufe strömenden Fördermediums ab-

Bei einem vorgeschlagenen Verfahren dieser Art gesaugt werden. Dadurch wird der größte Teil des soll jegliche Strömungsablösung von der Kanalober- Fördermediums im Strönuingskanal belassen und fläche von vornherein dadurch ausgeschaltet werden, seinem eigentlichen Verwendungszweck zugeführt, daß die Oberfläche, insbesondere im Bereich der io und für die abgesaugte Menge ist nur eine relativ Kante der Kanalstufe, so ausgebildet wird, daß die kleine Absaugvorrichtung erforderlich, so daß nicht Grenzschicht nach Möglichkeit ganz abgesaugt wird. nur Energieunkosten gespart werden, sondern auch Die Kante ist deshalb verhältnismäßig stark ge- die für die Absaugvorrichtung erforderlichen Kosten rundet, und innerhalb dieser Abrundung befindet relativ gering gehalten werden können,
sich der Absaugkanal, dessen Wände mit weichen 15 Zur Bildung der Strömungsmischzone, derart, daß Rundungen in die Kanalwände übergehen, so daß deren dem Kanalbett zugewandter Grenzbereich als die Stromfäden beim Absaugen an der Kanalwand Diffusorfläche wirkt, ist gemäß einer weiteren voranliegen bleiben. Dabei wird die Geschwindigkeit teilhaften Verfahrensyariante nur erforderlich, daß der Grenzschicht so gewählt, daß sie in Richtung ein Abstand zwischen Kanalstirnwand und Auftreffauf den Absaugkanal ansteigt, um ein Ablösen der 20 punkt der Strömungsmischzone auf der Kanalaußen-Grenzschicht zu vermeiden. Ziel dieses Verfahrens- wand eingehalten wird, der dem Zweifachen der Vorschlags ist also, im Bereich der Kanalstufe jeg- Stufenhöhe entspricht. Dadurch kann die für die liehe Wirbelbildung zu vermeiden. Dies wird durch Durchführung des Verfahrens erforderliche Länge eine relativ starke Abrundung der Stufenkante und des erweiterten Kanalabschnittes in den Fällen, in ■ durch Absaugung einer verhältnismäßig großen 25 denen nur geringer Raum zur Verfügung steht, auf Strömungsmittelmenge erreicht. Die Ausbildung der ein vertretbares Maß beschränkt werden.
Abrundung der Stufenkante, das Absaugen einer Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer verhältnismäßig großen Strömungsmittelmenge sind Zeichnung beispielshalber näher erläutert. In der jedoch aufwendige Maßnahmen, die der Erfindungs- Zeichnung zeigt

Vorschlag dadurch vermeidet, daß die Absaugung 30 F i g. 1 eine schematische Querschnittsansicht des

unmittelbar in der Kante der etwa rechtwinklig auf- erweiterten Strömungskanals mit der darin befind-

einanderstoßenden Stufenwände durch einen scharf- liehen Stufe und der angeschlossenen Absaugvorrich-

kantigen Spalt erfolgt, wodurch in Strömungs- tung,

richtung hinter der Stufe eine stabilisierte, rotierende F i g. 2 eine vergrößerte Detailansicht der Kanal-Wirbelwalze ausgebildet wird, deren Achse unter- 35 stufe von Fig. 1 und . ·
halb der Stufe liegt, und die auf ihrer dem Strömungs- F i g. 3 eine schematische Darstellung des Strökanalbett zugewandten Seite eine sich von dem Spalt mungsverlaufes des Fördermediums über die Kanalzur stromabwärtsseitigen Kanalaußenwand diffusor- stufe hinweg, wobei die Ausbildung der Strömungsförmig erstreckende Strömungsmischzone bildet, auf mischzone gezeigt ist. ·
deren dem Strömungskanalbett zugewandter Grenz- 40 Fig. 1 zeigt eine Anordnung 10 mit einer fläche die Stromfäden wirbelfrei abwärts wandern. Strömungsquelle 12, beispielsweise einem Zentri-

Beim Erfindungsvorschlag wird also die Kanal- fugalgebläse, dessen Ausgang über einen Kanal 16 stufe an der Stoßkante der etwa rechtwinklig auf- ' mit einer das Fördermedium verarbeitenden Eineinandertreffenden Stufenflächen lediglich mit einer richtung 14 verbunden ist. Das Fördermedium geschlitzförmigen Öffnung zur Grenzschichtabsaugung 45 langt von der Quelle 12 in den ersten Bereich 16 A versehen, wobei jede Abrundung der Kante unter- des Kanals 16, an dessen Ende sich eine Stufe 18 bebleibt. Dadurch wird erreicht, daß nur ein Teil der findet, an der sich der Querschnitt des Strömungsan der Kanalwand vorbeiströmenden Grenzschicht kanals plötzlich erweitert.

in den Spalt hineingesaugt wird, während der An diese Stufe schließt sich der erweiterte Kanalandere Teil über die Kante hinweggleitet und auf 50 teil 16 B an, der in die Einrichtung 14 mündet,
der Grenzfläche der Strömungsmischzone abwärts Normalerweise treten in der Kanalströmung beim wandert. Mit Hilfe eines in Art einer Wirbelwalze Übergang von einem Querschnitt zum anderen ausgebildeten Wirbels unterhalb der Stufenkante ge- Turbulenzen auf, die ein gleichmäßiges Strömen des lingt es, die Strömungsmischzone so zu stabilisieren, Fördermediums behindern. Um nun diesen Vorgang daß ihre dem Strömungskanalbett zugewandte 55 zu vermeiden, wird in der scharfen Kante 19 der Grenzfläche praktisch eine Diffusorwand bildet, die Stufe 18 ein Teil des über die Kante 19 hinwegdie Stromfäden abwärts in den erweiterten Kanal- strömenden Fördermediums durch einen Spalt 24 querschnitt führt. Die Erfindung schlägt also im und eine sich über eine Leitung 22 daran anGegensatz zu der bekannten Verfahrensweise, bei schließende Absaugvorrichtung 20 abgesaugt. Diese der jegliche Ablösung und Wirbelbildung vermieden 60 Absaugvorrichtung kann ein Sauggebläse oder eine werden sollen, vor, durch Ausbildung einer sehr Pumpe sein. Es wurde festgestellt, daß sich schon scharfen Kante an der Kanalstufe eine solche Ab- dann eine turbulenzfreie Kanalströmung im Bereich lösung herbeizuführen, mit der eine stabilisierte der Stufe 18 ergibt, wenn 1 bis 2 % des über die Wirbelwalze aufgebaut.wird, die gewissermaßen wie scharfe Kante 19 strömenden Fördermediums ab-, ein Polster die über sie hinweggleitende Strömung 65 gesaugt werden,
trägt. ■ Im einzelnen weist der Strömungskanal 16 im Be-

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Grenz- reich 16 A rechteckigen Querschnitt auf, der von

schichtabsaugung durch den Spalt mit einer Ge- einer Deckenwand 26Λ, einer Bodenwand 28A so-

wie Seitenwänden begrenzt wird. Der erweiterte Kanalbereich 16 S ist ebenfalls im Querschnitt rechteckförmig und mit einer Deckenwand 26 B, einer Bodenwand 28 B sowie mit diese verbindenden Seitenwänden versehen. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, wird die Querschnittserweiterung des Strömungskanals dadurch erreicht, daß der erweiterte Teil 16 B eine im Vergleich zur Bodenwand 28 A tiefer liegende Bodenwand 28 B besitzt, während die Deckenwände der beiden Kanalabschnitte in einer Ebene liegen. Im Bereich der Stufe 18 werden die beiden Bodenwände 2SA, 28 B durch eine Kanalstirnwand 34 miteinander verbunden, die entweder, wie dargestellt, rechtwinklig zu den Bodenwänden angeordnet ist, jedoch auch einen anderen Winkel einnehmen kann und auch nicht eben zu sein braucht, sondern bogenförmig gewölbt sein kann.

In F i g. 2 ist der in der Kante 19 der Stufe 18 vorhandene Spalt 24 im Detail dargestellt. Die den Spalt begrenzenden Enden der angrenzenden Kanal wände ao 28/1, 34 sind zugespitzt, so daß sich der Spalt nach außen zu, d. h. in Richtung des angeschlossenen Rohres 22, diffusorartig erweitert.' Die Spaltbreite L beträgt vorzugsweise einige Hundertstel Teile der Höhe der Stirnwand 34 des Strömungskanals 16. Die gewünschte turbulenzfreie Strömungsführung um die Kante 19 wird durch den Neigungswinkel A der Ebene P senkrecht zur Spaltlängsachse gegen die Kanalwand 28 A beeinflußt. Es wurde gefunden, daß dieser Winkel größer als 25^P und kleiner als 90°, vorzugsweise jedoch etwa 45° sein soll, um die gewünschte turbulenzfreie Strömungsführung im Bereich der Kanalquerschnittserweiterung zu erreichen. Der Spalt 24 erstreckt sich quer über im wesentlichen die ganze Breite des Kanalquerschnitts.

Die Strömung des Fördermediums im Bereich der Stufe 18 wird an Hand von F i g. 3 näher erläutert. Die wirbelfreie Strömung verläuft von rechts parallel zur Bodenwand 2SA. Wie oben erwähnt, werden etwa 1 bis 2% des den Kanalquerschnitt durchströmenden Fördermediums an der Kante 19 durch den Spalt 24 abgesaugt. Der übrige Teil strömt an der Stufe vorbei und bleibt in einem ungefähr der Spaltlänge L entsprechenden Abschnitt an der Innenfläche der Stirnwand 34, bevor er infolge des durch die Ausdehnung des Fördermediums auf den erweiterten Querschnitt bewirkten Gegendruckgradienten von der Stirnwand getrennt wird. Am Trennungspunkt beginnt sich eine Strömungsmischzone 38 zu entwickeln, die von der Oberfläche der Stirnwand 34 zum Kanalbett zu abbiegt und sich in einer nahezu gleichmäßig abfallenden Linie zur Bodenwand 28 B bewegt, die sie in einem Abstand von der Stirnwand 34 berührt, der etwa dem Zweifachen der Höhe der Stufe 18 entspricht. Diese Strömungsmischzone 38 mit ihrer dem Kanalbett zugewandten Grenzfläche 44 wirkt gewissermaßen wie ein Polster, das die über sie hinweggleitende Strömung verhältnismäßig wirbelfrei trägt. Die dem Kanalbett abgewandte Grenzfläche 40 auf der Innenseite der Strömungsmischzone 38 wird in der Nähe der Bodenwand 38 B zu einer Innenströmung 42 rückwärts in Richtung auf die Stirnwand 34 gelenkt, wodurch sich ein Wirbel in Art einer Wirbelwalze ausbildet, weil, wie aus Fig. 3 ersichtlich, das aus der Strömungsmischzone zur Stirnwand 4 sich zurückbewegende Fördermedium von dieser Wand abgelenkt und zum überwiegenden Teil dem Mischzonengebiet wieder zugeführt wird, da ein Verlassen des zwischen der inneren Grenzfläche 40 und der Stirnwand 34 eingeschlossenen Wirbelgebietes nur durch einen außerordentlich schmalen, nicht näher bezeichneten Spalt zwischen der Stirnwand 34 und der oberen Spitze der Strömungsmischzone möglich ist. Zu diesem Zweck müßte an dieser Stelle jedoch ein ziemlich großer Unterdruck vorhanden sein, damit das die Wirbelwalze verlassende Strömungsmittel längs der Stirnwand 34 in Richtung auf die Stufenkante so beschleunigt wird, daß es aus dem genannten Bereich austreten kann. Ein solcher Unterdruck tritt jedoch nicht auf.

Auf Grund dieser Strömungsverhältnisse unterhalb der Stufe 18 gelingt es, die Strömungsmischzone 38 so zu stabilisieren, daß ihre Grenzfläche 44 praktisch eine Diffusorwand bildet, die die Stromfäden wirbelfrei abwärts in den erweiterten Kanalquerschnitt führt. Von dieser abwärts wandernden Strömung wird laufend Energie durch die Grenzfläche 44 hindurch auf die Wirbelwalze übertragen, so daß sie stabil bleibt. Die Grenzschichtabsaugung durch den Spalt 24 wird in vorteilhafter Weise mit einer Geschwindigkeit vorgenommen, die der Strömungsgeschwindigkeit des Fördermediums in einer stufennahen Schicht entspricht, deren Dicke das 0,2fache der Höhe der Stufe 18 beträgt.

Die obige Verfahrensweise bringt in bezug auf die zu ihrer Durchführung notwendige Vorrichtung, wie sie schematisch in Fig. 1 allgemein mit 10 bezeichnet ist, den Vorteil, daß sie mit einem geraden, scharfkantigen Schlitz in der Kante 19 der Stufe zwischen den beiden Kanalquerschnitten 16 A, 16 B auskommt, der sich relativ, einfach herstellen läßt. Eine spezielle Formgebung der Kanalwandung im Bereich der Querschnittsänderung zur Anpassung an den Strömungsverlauf ist somit nicht erforderlich.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Vermeidung von Wirbelablösung durch Grenzschichtabsaugung in einem Strömungskanal mit plötzlicher Querschnittserweiterung, dessen Wandung eine scharfkantige, etwa senkrecht zur Strömungskanallängsachse verlaufende Stufe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugung unmittelbar in der Kante der etwa rechtwinklig aufeinanderstoßenden Stufenwände durch einen scharfkantigen Spalt erfolgt, wodurch in Strömungsrichtung hinter der Stufe eine stabilisierte, rotierende Wirbelwalze ausgebildet wird, deren Achse unterhalb der Stufe liegt, und die auf ihrer dem Strömungskanalbett zugewandten Seite eine sich von dem Spalt zur stromabwärtsseitigen Kanalaußenwand diffusorförmig erstreckende Strömungsmischzone bildet, auf deren dem Strömungskanalbett zugewandter Grenzfläche die Stromfäden wirbelfrei abwärts wandern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichtabsaugung durch den Spalt mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die der Strömungsgeschwindigkeit des Fördermediums in einer stufennahen Schicht entspricht, deren Dicke das 0,2fache der Stufenhöhe beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1

und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Spalt 1 bis 2% des über die Stufe strömenden Fördermediums abgesaugt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich hinter der Stufe bildende Strömungsmischzone in einem Abstand von der Kanalstirnwand auf die Kanalaußenwand auftrifft, der dem Zweifachen der Stufenhöhe entspricht.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (L) des Spaltes (24) einige Hundertstel der Höhe der Stirnwand (34) des Strömungskanals (16) beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (A) einer Ebene senkrecht zur Spaltlängsachse gegen die Kanalaußenwand (28 Λ) größer als 25° und kleiner als 90° ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (A) 45° beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen