DE1475585C

DE1475585C - Method for avoiding vortex shedding through boundary layer suction in a flow channel with a sudden widening of the cross-section

Info

Publication number: DE1475585C
Authority: DE
Inventors: Gunnar Piscataway N.Y. Heskestad (V.StA.)
Original assignee: American Radiator & Standard Sanitary Corp., New York, N.Y. (V.St.A.)
Publication date: 1971-12-02

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ver- schwindigkeit vorzunehmen, die der Strömungs-The invention relates to a method for making speed that the flow

meidung von Wirbelablösung durch Grenzschicht- geschwindigkeit des Förderrnediums in einer stufen-avoidance of vortex shedding through boundary layer speed of the conveying medium in a

absaugung in einem Strömungskanal mit plötzlicher nahen Schicht entspricht, deren Dicke das 0,2facheSuction in a flow channel with a sudden close layer corresponds, the thickness of which is 0.2 times

Querschnittserweiterung, dessen Wandung eine der Stufenhöhe beträgt. Auch soll die AbsaugungCross-sectional expansion, the wall of which is one of the step height. Also should the suction

scharfkantige, etwa senkrecht zur Strömungskanal- 5 durch den Spalt so erfolgen, daß nur 1 bis 2 % dessharp-edged, approximately perpendicular to the flow channel 5 through the gap so that only 1 to 2% of the

längsachse verlaufende Stufe aufweist. über ,die Stufe strömenden Fördermediums ab-having longitudinal axis step. via, the stage of the flowing medium

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 zeigtOne proposed method of this type is to be sucked. As a result, most of the flow separation from the upper channel of the conveying medium is left in the Strönuingskanal and the surface is eliminated from the outset, its actual purpose is supplied that the surface, especially in the area of the io and for the extracted amount, is only a relative edge of the Channel step, is designed so that the small suction device is required so that the boundary layer is not completely suctioned off if possible. only energy costs can be saved, but also.
the suction duct, whose walls are soft 15 To form the flow mixing zone, in such a way that curves merge into the duct walls, so that the border area facing the duct bed acts as the flow filaments during suction on the duct wall diffuser surface, is to remain in front according to another. The speed part of the process variant is only required that the boundary layer is chosen so that it increases in the direction of a distance between the end wall of the channel and the point of impact on the suction channel in order to avoid detachment of the 20 point of the flow mixing zone on the outer channel boundary layer. The aim of this procedural wall is adhered to, which is twice the proposal, i.e. corresponds to any step height in the area of the canal step. This allows to avoid the vortex formation for the borrowed. This is achieved by carrying out the required length of the method, a relatively strong rounding of the step edge and the widened channel section in the cases in which a relatively large amount of fluid is extracted by suctioning off a relatively large amount of fluid. The training to be limited to an acceptable level.
Rounding of the step edge, the suction of a The invention is explained in more detail below on the basis of a relatively large amount of fluid are drawings by way of example. However, in the complex measures that the drawing of the invention shows

Vorschlag dadurch vermeidet, daß die Absaugung 30 F i g. 1 eine schematische Querschnittsansicht desProposal thereby avoids that the suction 30 F i g. 1 is a schematic cross-sectional view of the

unmittelbar in der Kante der etwa rechtwinklig auf- erweiterten Strömungskanals mit der darin befind-directly in the edge of the approximately right-angled widened flow channel with the

einanderstoßenden Stufenwände durch einen scharf- liehen Stufe und der angeschlossenen Absaugvorrich-butting step walls through a sharp step and the connected suction device

kantigen Spalt erfolgt, wodurch in Strömungs- tung,angular gap takes place, whereby in flow direction,

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-Direction behind the step a stabilized, rotating F i g. 2 an enlarged detailed view of the channel vortex roller is formed, the axis of which is below the stage of FIGS. 1 and. ·
half of the step, and that on its flow F i g. 3 shows a schematic representation of the side facing the flow channel bed, a diffuser step from the gap course of the conveying medium over the channel to the downstream channel outer wall, the formation of the flow mixing zone forming the mixing zone. ·
whose boundary facing the flow channel bed 40 Fig. 1 shows an arrangement 10 with a surface, the flow filaments migrate downward without eddies. Flow source 12, for example a centrifugal

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 the proposal of the invention, the duct fan, the output of which is connected via a duct 16 step at the abutting edge of the step surfaces which meet at a right angle and which process the conveying medium, is only connected to one direction 14. The conveying medium, slit-shaped opening for boundary layer suction 45, reaches from the source 12 into the first area 16 A , each rounding of the edge under the channel 16, at the end of which a step 18 remains. It is thereby achieved that only a part of the channel suddenly widens the cross section of the boundary layer flowing past the channel wall.

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-is sucked into the gap, while the at this stage, the widened channel, the other part slides over the edge and on 50 part 16 B , which opens into the device 14,
The interface of the flow mixing zone downward normally occurs in the channel flow when migrating. With the help of a vortex formed in the manner of a vortex roller transition from one cross-section to the other, turbulence below the step edge creates turbulence that prevents the conveying medium from flowing evenly, stabilizing the flow mixing zone. In order to avoid this process of its 55 facing the flow channel bed, a diffuser wall is practically formed in the sharp edge 19 of the interface, the step 18 a part of the conveying medium flowing over the edge 19 down the flow threads into the widened channel through a gap 24 cross section leads. The invention thus adopts a line 22, in contrast to the known procedure, when the suction device 20 is closed. This suction device, which avoids any detachment and vortex formation, can be a suction fan or one that is intended, before, by forming a very pump. It was found that there is already a sharp edge at the channel step such as to bring about a turbulence-free channel flow in the area solution, with which a stabilized step 18 results when 1 to 2% of the volume is built up over the vortex roller, which in a way is like sharp edge 19 of the flowing conveying medium, a cushion that the flow 65 sliding over it is sucked,
wearing. ■ In detail, the flow channel 16 has in particular

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Grenz- reich 16 A rechteckigen Querschnitt auf, der vonIt has proven to be expedient to have the border area 16 A with a rectangular cross-section, that of

schichtabsaugung durch den Spalt mit einer Ge- einer Deckenwand 26Λ, einer Bodenwand 28A so-layer suction through the gap with a top wall 26Λ, a bottom wall 28 A 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.how sidewalls are bounded. The extended channel area 16 S is also rectangular in cross section and is provided with a top wall 26 B, a bottom wall 28 B and side walls connecting them. As shown in FIG. 1, the cross-sectional expansion of the flow channel is achieved in that the enlarged part 16 B has a bottom wall 28 B which is lower than the bottom wall 28 A , while the top walls of the two channel sections lie in one plane. In the field of stage 18 the two bottom walls 2SA, 28 B are connected to each other by a channel front wall 34 which, as shown, perpendicular to the bottom walls, either, but can also assume a different angle and does not need to be flat but arcuate can be arched.

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.In Fig. 2 the gap 24 present in the edge 19 of the step 18 is shown in detail. The ends of the adjacent channel walls delimiting the gap ao 28/1, 34 are pointed so that the gap widens outwardly, ie in the direction of the connected pipe 22, like a diffuser. The gap width L is preferably a few hundredths parts of the height of the end wall 34 of 16 the desired turbulence-free flow guidance around the edge 19 is the flow channel by the inclination angle A of the plane P perpendicular to the gap longitudinal axis against the channel wall 28. A affected. It has been found that this angle should be greater than 25 ^P and smaller than 90 °, but preferably about 45 °, in order to achieve the desired turbulence-free flow guidance in the area of the widened channel cross-section. The gap 24 extends across substantially the entire width of the channel cross-section.

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.The flow of the conveying medium in the area of the stage 18 is shown on the basis of FIG. 3 explained in more detail. The eddy-free flow runs parallel to the bottom wall 2SA from the right. As mentioned above, about 1 to 2% of the conveying medium flowing through the channel cross-section is sucked off at the edge 19 through the gap 24. The remaining part flows past the step and remains in a section corresponding approximately to the gap length L on the inner surface of the end wall 34 before it is separated from the end wall as a result of the counterpressure gradient caused by the expansion of the conveying medium on the enlarged cross section. At the point of separation, a flow mixing zone 38 begins to develop, which turns from the surface of the end wall 34 to the channel bed and moves in a nearly evenly sloping line to the bottom wall 28 B , which it touches at a distance from the end wall 34 which is approximately twice that corresponds to the level of level 18. This flow mixing zone 38 with its boundary surface 44 facing the channel bed acts to a certain extent like a cushion that carries the flow sliding over it relatively free of eddies. The boundary surface 40 facing away from the channel bed on the inside of the flow mixing zone 38 is deflected in the vicinity of the bottom wall 38 B to form an inner flow 42 backwards in the direction of the end wall 34, whereby a vortex in the manner of a vortex roller is formed because, as shown in FIG It can be seen that the conveying medium moving back from the flow mixing zone to the end wall 4 is deflected by this wall and for the most part returned to the mixing zone area, since leaving the vortex area enclosed between the inner boundary surface 40 and the end wall 34 is only possible through an extremely narrow, unspecified area Gap between the end wall 34 and the upper tip of the flow mixing zone is possible. For this purpose, however, a fairly large negative pressure would have to be present at this point, so that the fluid leaving the vortex roller is accelerated along the end wall 34 in the direction of the step edge so that it can exit the area mentioned. However, such a negative pressure does not occur.

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.Because of these flow conditions below stage 18, the flow mixing zone succeeds 38 to stabilize so that their interface 44 practically forms a diffuser wall, which the flow filaments leads downwards without eddies into the enlarged canal cross-section. From this downward wandering Flow is continuously transferring energy through the interface 44 to the vortex roll, so that it remains stable. The boundary layer suction through the gap 24 is carried out in an advantageous manner made at a speed that corresponds to the flow rate of the fluid in corresponds to a layer close to the step, the thickness of which is 0.2 times the height of the step 18.

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.The above procedure brings with respect to the necessary for the execution of device as is schematically indicated generally in Fig. 1 at 10, the advantage of having a straight, sharp-edged slot in the edge 19 of the step between the two channel sections 16 A , 16 B gets by, which is relatively easy to manufacture. A special shape of the duct wall in the area of the change in cross section to adapt to the flow course is therefore not necessary.

Claims

Patent claims:

1. Process to avoid vortex shedding through boundary layer suction in one Flow channel with a sudden widening of the cross-section, the wall of which has a sharp-edged, has a step running approximately perpendicular to the longitudinal axis of the flow channel, characterized in that that the suction is directly in the edge of the approximately at right angles Step walls are made through a sharp-edged gap, thereby moving in the direction of flow a stabilized, rotating vortex roller is formed behind the step, the Axis is below the step, and on its side facing the flow channel bed one extending in the form of a diffuser from the gap to the downstream duct outer wall Forms flow mixing zone, on whose interface facing the flow channel bed the Stream filaments migrate downward without eddies.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the boundary layer suction through the gap takes place at a speed, which corresponds to the flow velocity of the pumped medium in a layer close to the stage, the thickness of which is 0.2 times the step height.

3. The method according to any one of claims 1

and 2, characterized in that 1 to 2% of the flowing over the step through the gap The pumped medium.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the downstream of the step forming flow mixing zone at a distance from the channel end wall on the The outer wall of the canal strikes, which corresponds to twice the height of the step.

5. Device for carrying out the method according to claims 1 to 4, characterized in that the width (L) of the gap (24) is a few hundredths of the height of the end wall (34) of the flow channel (16).

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the angle of inclination (A) of a plane perpendicular to the longitudinal axis of the gap against the outer duct wall (28 Λ) is greater than 25 ° and less than 90 °.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the angle of inclination (A) is 45 °.

1 sheet of drawings