DE69714787T2

DE69714787T2 - Vorrichtung zur sichtbarmachung der strömung eines fluids über eine oberfläche

Info

Publication number: DE69714787T2
Application number: DE69714787T
Authority: DE
Inventors: Paul Corten
Original assignee: Energy Research Centre of the Netherlands
Current assignee: Energy Research Centre of the Netherlands
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2017-05-17
Also published as: ES2180990T3; US6065334A; EP1010011A1; WO1997044674A1; NL1003153C2; AU2914197A; DK1010011T3; DE69714787D1; EP1010011B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Vorrichtung dieser Art ist in dem Bericht IW-94079-R vom August 1994 von dem "Institute for Wind Energy" (Institut für Windenergie), der Technischen Universität von Delft, mit dem Titel "Sichtbarmachung des Staupunktes: Erste Ergebnisse eines neuen Verfahrens" offenbart.
In diesem Bericht wird vorgeschlagen, eine oder mehrere Klappen, jeweils mit einer Breite von etwa 1 Meter, vorne, das heißt in der Zone nahe der Staulinie (das heißt des Staupunktes, wo die Strömung aufhört), einer flügelartigen Oberfläche anzubringen. Eine solche Klappe oder solche Klappen wird/werden in einem Winkel in Bezug auf die so genannte Staulinie angebracht und hat/haben eine solche Breite, dass die Staulinie bei allen zu erwartenden Positionen zwischen den Enden jeder Klappe bleibt, und bestimmte Schlussfolgerungen bezüglich der Strömung werden aus der Verschiebung in dem Umkipppunkt entlang der Klappenoberfläche gezogen.
Eine Konstruktion dieser Art ersetzt in dem Stand der Technik bekannte Konstruktionen, die aus einer Anzahl von vorzugsweise Wollfäden oder dem Ausstoßen von Rauch oder dergleichen in der Nähe der Oberfläche bestehen. Eine solche Änderung wurde insbesondere vorgenommen, weil besonders, wenn Wollfäden auf relativ großen Oberflächen verwendet werden, die Sichtbarkeit der Position der Fäden ein Problem darstellt.
Wenn es zum Beispiel gewünscht wird, einen allgemeinen Eindruck von der Strömungsverteilung im Fall von Windturbinen zu erhalten, ist es nicht unüblich, Aufnahmen von diesen in einem Abstand von 75 Metern von deren Schaufeln zu machen. Kleine Wollfäden sind auf diesen Fotos nicht sichtbar. Die Sichtbarkeit bleibt selbst dann schlecht, wenn technisch ausgeklügelte Hilfen, wie zum Beispiel Stroboskope, verwendet werden. Große Fäden werden durch die Zentrifugalkraft stärker beeinflusst und ergeben ein höheres Maß an Abbrüchen der Strömung. Unter bestimmten Strömungsbedingungen machen die Fäden schnelle flatternde Bewegungen. Als eine Folge davon kann ein Verwackeln auf Grund der Bewegung so stark werden, dass die Position der Fäden unsichtbar wird.
Aus diesen Gründen wurden elektrische Vorrichtungen zum Sichtbarmachen der Strömungsrichtung durch elektrische Mittel im Stand der Technik vorgeschlagen. Diese Vorrichtungen erfordern jedoch empfindliche elektrische Anschlüsse für die Stromversorgung oder Signale. Diese können außerdem die Strömung beeinflussen. Ein beträchtlicher Installationsraum in dem zu untersuchenden Objekt ist auch erforderlich. Folglich ist eine lange Vorbereitungszeit nötig und die Konstruktion des Objekts kann geschwächt werden, und ein Verfahren dieser Art kann nicht an allen Orten verwendet werden.
Dabei sind noch nicht Probleme, wie zum Beispiel Blitzschläge, berücksichtigt. Schließlich neigen Wollfäden dazu, durch eine Zentrifugalkraft beeinflusst zu werden, das heißt, sich nach außen zu bewegen.
Die Klappe gemäß des oben erwähnten Berichts löst diese Probleme auf Grund der Wirkung von Zentrifugalkraft und der elektrisch komplexen Konstruktion.
Die Sichtbarkeit bleibt jedoch ein Problem bei größeren Abständen. Schließlich wird es bei einer Klappenhöhe von zum Beispiel 5 mm nicht einfach sein, ein (teilweises) Umkippen aus einer Entfernung von mehreren zehn Metern zu erkennen. Die Position, an der die Klappe zum Betrachter weist, wird sichtbar gemacht und folglich hängt diese Position von der Richtung ab, aus der der Betrachter die Klappen betrachtet. Dies kann zu systematischen Fehlern führen. Die Klappenfläche wird für jede Klappe relativ stark nahe des Umkipppunkts gestreckt. Dies ist ein Nachteil, da eine dauerhafte Verformung auftreten kann und da eine schnelle Reaktion der Klappe auf eine andere Strömungsbedingung durch die Hysterese des Klappenmaterials verhindert wird. Außerdem ist der Bereich nahe des Umkipppunkts nahezu senkrecht zu dem Profil und kann folglich leicht zu einem Strömungsabbruch führen.
Dieses Problem wird verschärft, wenn ein Abriss vorliegt. Schließlich findet dann der Übergang von einem Zustand in einen anderen allmählich über einen weiteren Bereich statt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, diesen Nachteil zu vermeiden und eine verbesserte Vorrichtung zum Erkennen und Sichtbarmachen des Fluids über einer Oberfläche zur Verfügung zu stellen.
Dieses Ziel wird mit einer Vorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 oder 2 erreicht.
"Optisch bedeckt" ist stets als der Zustand zu verstehen, der im Wesentlichen von dem Zustand abweicht, in dem die relevante Oberfläche des Objekts nicht bedeckt ist. Das heißt, selbst wenn die Klappe, die den Teil der Oberfläche betrifft, diese nicht völlig abdeckt, sondern (wenige) zehn Grad von dieser entfernt ist, kann unter bestimmten Umständen noch von einer optischen Bedeckung die Rede sein. Optisch ist nicht nur als sichtbares Licht zu verstehen, sondern auch als Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung und sogar als andere Phänomene elektromagnetischer Wellen.
Nachdem die Klappe umgekippt ist, wird eine andere Erscheinung erzeugt. Dies kann bewirkt werden, da die Klappe selber mit verschiedenen optischen Eigenschaften an den beiden Seiten versehen ist, da die Klappe optische Eigenschaften aufweist, die sich von denjenigen der Oberfläche unterscheiden, oder da der durch die Klappe bedeckte Teil in einer Ruheposition optische Eigenschaften aufweist, die sich von dem Rest der Oberfläche unterscheiden. In allen Fällen wird es eine sehr deutliche sichtbare Änderung der Erscheinung geben, wenn die Klappe umkippt. Das heißt, verschiedene optische Eigenschaften werden in verschiedenen Positionen der Klappe in Bezug auf die Oberfläche erzeugt.
Diese Änderung der Erscheinung kann ein Farbunterschied sein.
Es ist jedoch auch möglich, dass die reflektierenden Eigenschaften sich ändern, da eine oder mehrere der Oberflächen retroreflektierend ist (sind).
Es ist auch möglich, die Sichtbarkeit zu verbessern, indem Fluoreszenz oder Phosphoreszenz verwendet wird. Diese und andere Möglichkeiten zur Verbesserung sind den Fachleuten in der Technik allgemein bekannt.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Möglichkeiten werden die Fachleute in der Technik an Techniken wie zum Beispiel Polarisierung, Refraktion und Diffraktion denken.
Die Konstruktion gemäß dem Bericht der Technischen Universität von Delft, der oben beschrieben ist, hat den Nachteil, dass die Klappe über ihre gesamte Länge mehr oder weniger elastisch sein muss, um das Umkippen erreichen zu können. Folglich sind die Anforderungen bezüglich der verwendeten Materialien besonders streng. Die Höhe der Klappen, die in der Konstruktion verwendet werden, beträgt höchstens 5 mm, weshalb die Sichtbarkeit und die Empfindlichkeit begrenzt sind.
Der Unterschied der Erscheinung wird besonders deutlich, wenn die verschiedenen Seiten der Klappen eine unterschiedliche Farbe aufweisen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Bereich der Oberfläche, in dem die Strömungseigenschaften bestimmt werden müssen und auf dem die Klappe in der ersten Position liegt, eine Erscheinung zu geben, die sich von derjenigen des Bereichs unterscheidet, auf dem die Klappe in der zweiten Position liegt.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, eine Anzahl an kleineren Klappen auf der Oberfläche anzubringen. Solche Klappen bewegen sich dann unabhängig voneinander und somit können die vorherrschenden Strömungsbedingungen in jeder Position genau bestimmt werden. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Konstruktion wird die Oberfläche der Klappe stets in die gleiche Richtung ausgerichtet und über die Breite der Klappe findet keine Verzerrung statt. Außerdem kann die Position der Änderung genau lokalisiert werden. Dies steht im Gegensatz zu den Verfahren, in denen Rauch verwendet wird.
Obwohl die Breite der Klappen jeden in dem Stand der Technik bekannten Wert aufweisen kann, wird es jedoch bevorzugt, die Klappen mit einer Breite von 1 bis 20 cm und genauer von 8 cm zu versehen. Unter Verwendung der gleichen Argumente ergibt dies für die Höhe 0,1 bis 4 cm und genauer etwa 2,5 cm. Einerseits ist die Breite derart, dass ein wesentlicher Abschnitt der Strömung bedeckt wird und andererseits ist eine Oberfläche von 8 cm · 2,5 cm mit Hilfe der oben beschriebenen Maße leicht aus einer relativ großen Entfernung sichtbar.
Die Klappen können jede im Stand der Technik bekannte Form haben. Vorzugsweise haben die Klappen jedoch eine trapezförmige Konstruktion, wobei die Ecken der freien Enden des Trapezes abgerundet sind. Außerdem ist die Verbindungsstelle zu den Flügeln usw. auch abgerundet. Es wurde gefunden, dass es möglich ist, insbesondere durch diese letztere Abrundung eine erheblich längere Lebensdauer zu erhalten.
Die Klappe kann durch jedes im Stand der Technik bekannte Verfahren mit der Oberfläche verbunden werden. Vorzugsweise besteht die Klappe aus einem relativ steifen Körperabschnitt und einem relativ flexiblen Scharnierabschnitt. Der Scharnierabschnitt kann zum Beispiel ein Film- oder Folienscharnier sein, in welchem Fall ein Gummifolienmaterial verwendet wird.
Die Erfindung wird unten genauer beschrieben, unter anderem anhand einer in den Zeichnungen gezeigten erläuternden Ausführungsform. Es zeigen in den Zeichnungen:
Fig. 1 graphisch eine Windturbine;
Fig. 2 einen Teil des Schaufelprofils der Windturbine;
Fig. 3 ein Detail einer in Fig. 2 gezeigten Klappe, und
Fig. 4 den Richtungsdetektor mit vier Klappen.
Die Erfindung wird unten anhand eines Profils einer Schaufel einer Windturbine erklärt. Es muss jedoch verstanden werden, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit gleichem Erfolg für jedes andere Profil, für das die Strömungseigenschaften bestimmt werden müssen, verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang können Luftfahrzeuge, Segel, Kamine und dergleichen in Betracht gezogen werden.
Dies bezieht sich auf Gasströmungen. Die Erfindung ist jedoch auch auf Fluidströmungen anwendbar. In diesem Zusammenhang kann die Untersuchung der Strömungseigenschaften über Schiffskörper, Schrauben und dergleichen in Wasser in Betracht gezogen werden.
Die in Fig. 1 gezeigte Windturbine besteht aus einem Pfosten 2 mit zwei Flügeln oder Schaufeln 3, die sich einander gegenüber befinden und daran angebracht sind. Das Detail II in Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Pfeil 9 zeigt die Strömungsrichtung an, während 10 einen Abschnitt mit einer Rückströmung zeigt. Diese Rückströmung ist eng mit der Verringerung der Last tragenden Kapazität des Profils mit einem ansteigenden Einfallwinkel der Strömung verbunden, was auch "Überziehen" bzw. "Abriss" des Profils genannt wird. Im Fall der Schaufeln von einigen Windturbinen ist das Auftreten eines solchen Abreißens bei großen Einfallwinkeln wichtig, da es durch korrektes Dimensionieren der Schaufel möglich ist, eine Situation zu erreichen, wo oberhalb einer bestimmten Windstärke die Schaufel die Strömung derart unterbricht, dass durch die Mühle keine weitere Kraft aufgenommen wird.
Das heißt, bei einer geringen Windstärke wird das Profil optimal ausgenutzt, um den gesamten einfallenden Wind so weit wie möglich in Nutzenergie umzuwandeln, während bei einer hohen Windstärke vorsätzliches Ziel ist, diese Energie nicht völlig zu nutzen.
Daher ist es wichtig, die Strömungseigenschaften über ein Profil präzise zu kennen. Es ist klar, dass es auch besonders wünschenswert ist, die Strömungseigenschaften von zum Beispiel den Flügelprofilen eines Luftfahrzeugs zu untersuchen, obwohl die Überlegungen in diesem Fall anders sind.
Detail II ist in Fig. 2 gezeigt und aus dieser ist ersichtlich, dass eine Anzahl von kleinen Klappen 5 auch an der Saugseite des Schaufelprofils angebracht ist.
Eine einzige Klappe ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Klappe kann aus jedem im Stand der Technik bekannten Material, wie zum Beispiel Polycarbonat, gefertigt sein. Die Klappenbreite ist durch b und die Höhe durch h angezeigt. Die Breite kann 8 cm und die Höhe 2 cm betragen. Es ist auch in Fig. 3 angezeigt, dass der Bereich 8 der Oberfläche, über der die Strömungseigenschaften bestimmt werden müssen, sich in der Erscheinung optisch von dem Bereich auf der anderen Seite derjenigen unterscheidet, die in Bezug auf das Scharnier gespiegelt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Bereich retroreflektierend, fluoreszent usw. ist. Die Befestigung an dem oberen Abschnitt 11 des Profils kann über einen Streifen oder direkt erfolgen (siehe Fig. 2). In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die Scharnierkante 6 der Klappe die Vorderkante und das freie Ende die Rückkante. Bei dieser Anordnung ist das Scharnier, zum Beispiel in Form eines Gummischarniers, derart flexibel gestaltet, dass sogar eine kleine Komponente der Strömungsrichtung 9 oder 10 von der Rückkante zur Vorderkante ausreicht, um das Umkippen der Klappe zu bewirken.
Es ist aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, dass die Klappe eine trapezförmige Konstruktion aufweist. Es ist gefunden worden, dass, wenn die freien Ecken der Klappe abgerundet sind (durch 7 angezeigt), die Last auf das Scharnier geringer ist und folglich insbesondere die Lebensdauer des Scharniers erheblich verlängert wird oder das Scharnier eine viel leichtere Konstruktion aufweisen kann. Dies kann jedoch in einem viel erheblicheren Ausmaß gefördert werden, indem die Befestigung an der Oberfläche, für die die Strömungseigenschaften bestimmt werden müssen, als abgerundete Konstruktion gestaltet wird, was durch 13 angezeigt ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht eine Rückströmung, die durch den Pfeil 10 angezeigt ist, an der Rückseite des Profils. Daher kippen die Klappen 6, 7 und 8 (teilweise) um. Daher ist die auf das Profil aufgebrachte retroflektierende Oberfläche ausgesetzt. Es ist natürlich möglich, einen Farbunterschied an Stelle eines retroreflektierenden Bereichs zu verwenden. Außerdem ist es möglich, diesen Farbunterschied nicht auf das Profil, sondern auf die Klappe aufzubringen.
Es ist gefunden worden, dass, wenn retroreflektierendes Material verwendet wird, es besonders einfach zu erkennen ist, wenn die Klappen umkippen und/oder ob die Klappen umgekippt sind. Wenn eine Lichtquelle nahe des Betrachters angeordnet wird, kann letzterer auch klar das Umkippen der Klappen aus einer großen Entfernung erkennen. Das Umklappen kann außerdem photographisch oder auf Video aufgezeichnet werden.
Es ist klar, dass die Dicke der Klappe relativ gering sein muss, um die Strömung nicht zu beeinflussen. Es wird vorgeschlagen, einen Wert von weniger als 0,3 mm zu verwenden.
Es ist offensichtlich, dass das Funktionieren der Klappen nicht mehr gewährleistet ist, wenn das Profil feucht ist oder sogar im Wesentlichen unter feuchten Bedingungen abkühlt (bis es festfriert). Es ist jedoch gefunden worden, dass, sobald solche negativen Wetterbedingungen nicht mehr vorherrschen, die Klappen wieder voll funktionsfähig sind.
Fig. 4 zeigt einen Richtungsdetektor mit vier Klappen. Je nach der Strömungsrichtung kann der Detektor auf acht verschiedene Arten abheben. Durch jede Änderung der Strömungsrichtung um 45 Grad kippt eine Klappe um.
Wenn es wichtig ist, die Vorrichtung schnell anzubringen, kann dies in Form eines Aufklebers erfolgen. In der Konstruktion, die in Fig. 2 gezeigt ist, kann der Klebeteil als ein Streifen auf das betreffende Schaufelprofil aufgebracht werden und die nicht klebenden Klappen 5 bis 7 können sich von diesem erstrecken. Es ist auch möglich, jeden Detektor individuell in Form eines Aufklebers anzubringen. Natürlich müssen auch hier alle Ecken soweit wie möglich abgerundet sein, um ein Loslösen zu verhindern.
Es ist gefunden worden, dass es unter bestimmten Bedingungen möglich ist, dass Wasser unter die Klappen eindringt und letztere als Folge davon kleben. In einem solchen Fall kann es wichtig sein, entweder die verschiedenen Teile wasserabweisend zu gestalten oder sie so zu konstruieren, dass die Feuchtigkeit auf eine geeignete Weise entfernt werden kann.
Bei der oben beschriebenen Konstruktion ist es möglich, mit Farbunterschieden zu arbeiten. Im Prinzip gibt es keine Grenze für die Anzahl an verschiedenen Farben.
Wenn keine Aufkleber verwendet werden, können die Klappen durch jede andere Einrichtung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, befestigt werden, wie zum Beispiel doppelseitiges Klebeband.
Es ist gefunden worden, dass, besonders, wenn eine retroreflektierende Oberfläche und eine ausreichend starke Lichtquelle verwendet werden, es auch möglich ist, sich schnell bewegende Profile zu untersuchen. Zwar ergibt sich auf Grund der Bewegung ein Verwackeln, aber wenn die verschiedenen Situationen photographisch aufgezeichnet werden, wird gefunden werden, dass eine Lichtspur erzeugt oder nicht erzeugt wird, je nach der Position der Klappe.
Obwohl die Erfindung hier anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, muss verstanden werden, dass zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Anmeldung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. Zum Beispiel ist es möglich, die oben beschriebene Vorrichtung zu verwenden, um alle anderen im Stand der Technik bekannten Profile zu testen, wie zum Beispiel die stromlinienförmige Form eines Luftfahrzeugs. Die Vorrichtung kann auch für Werbezwecke oder andere Anwendungen, die nicht streng zweckmäßig sind, verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Sichtbarmachung der Richtung einer Strömung eines Fluids über eine Oberfläche eines Objekts, mit einem klappenartigen Element, das scharnierartig an der Oberfläche befestigt ist und das sich je nach der Strömung näher an der Oberfläche oder von dieser weiter entfernt befindet, wobei die Oberfläche von mindestens einer Seite der Klappe und der Teil der Oberfläche des Objekts, der sich an einer Seite der Scharnierlinie befindet, so aufgebaut sind, dass, wenn der Teil der Oberfläche optisch durch die Klappe bedeckt ist, eine optische Erscheinung erhalten wird, die sich von der optischen Erscheinung in dem Fall unterscheidet, wenn der Teil der Oberfläche nicht optisch bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das klappenartige Element mehrere Klappen aufweist, die jeweils so angeordnet sind, dass sie sich völlig von einer Position zu einer anderen bewegen, ohne dass über die Breite der Klappe eine Verdrehung auftritt.

2. Vorrichtung zur Sichtbarmachung der Richtung einer Strömung eines Fluids über eine Oberfläche eines Objekts, mit einem klappenartigen Element, das scharnierartig an der Oberfläche befestigt ist und das sich je nach der Strömung näher an der Oberfläche oder von dieser weiter entfernt befindet, wobei die Oberflächen der Seiten der Klappe, die sich einander entgegengesetzt befinden, so aufgebaut sind, dass eine unterschiedliche Erscheinung erhalten wird, wenn eine Seite der Klappe betrachtet wird, die sich von der optischen Erscheinung unterscheidet, wenn die andere Seite der Klappe betrachtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das klappenartige Element mehrere Klappen aufweist, die jeweils so angeordnet sind, dass sie sich völlig von einer Position zu einer anderen bewegen, ohne dass eine Verdrehung über die Breite der Klappe auftritt.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die optischen Eigenschaften des anderen Teils der Oberfläche des Objekts, der sich auf der anderen Seite der Scharnierlinie befindet, sich von den optischen Eigenschaften des einen Teils der Oberfläche des Objekts unterscheidet, der sich auf der einen Seite der Scharnierlinie befindet.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Unterschied der optischen Eigenschaften ein Farbunterschied ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Unterschied der optischen Eigenschaften ein Unterschied der Reflektionseigenschaften ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine der Seiten der Klappe oder die Oberfläche des Objekts, die von der Klappe bedeckt ist, eine retroreflektierende Oberfläche ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Breite (b) der Klappe etwa 8 cm beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Klappe eine trapezförmige Form aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die freien Ecken des Trapezes, die von der Scharnierlinie entfernt sind, abgerundet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Übergang zwischen der Klappe und der Oberfläche abgerundet ist (13).

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Klappe einen relativ steifen Körperabschnitt und einen relativ flexiblen Scharnierabschnitt aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Scharnierabschnitt aus Gummifolienmaterial gefertigt ist.