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EP0732513B1 - Method and device for active damping of oscillations in detached unstable flows - Google Patents

Method and device for active damping of oscillations in detached unstable flows Download PDF

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Publication number
EP0732513B1
EP0732513B1 EP95810167A EP95810167A EP0732513B1 EP 0732513 B1 EP0732513 B1 EP 0732513B1 EP 95810167 A EP95810167 A EP 95810167A EP 95810167 A EP95810167 A EP 95810167A EP 0732513 B1 EP0732513 B1 EP 0732513B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
oscillation
accordance
oscillations
global
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP95810167A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0732513A1 (en
Inventor
Samir Dr. Ziada
Hans-Rudolf Dr. Graf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sulzer Markets and Technology AG
Original Assignee
Sulzer Markets and Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sulzer Markets and Technology AG filed Critical Sulzer Markets and Technology AG
Priority to EP95810167A priority Critical patent/EP0732513B1/en
Priority to DE59510549T priority patent/DE59510549D1/en
Priority to JP8014417A priority patent/JPH08261212A/en
Priority to US08/608,397 priority patent/US5798465A/en
Publication of EP0732513A1 publication Critical patent/EP0732513A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0732513B1 publication Critical patent/EP0732513B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15DFLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00Influencing flow of fluids
    • F15D1/10Influencing flow of fluids around bodies of solid material
    • F15D1/12Influencing flow of fluids around bodies of solid material by influencing the boundary layer

Definitions

  • the initials are formed called flow oscillations from small disturbances an unstable layer near a peel point.
  • a known sufficient condition for an unstable For example, layer is a turning point of the Velocity profile of the flow along a line orthogonal to the flow lines.
  • Such an unstable one Layer is called shear layer.
  • Currents with Multiple peel points can have multiple unstable layers who, each forming a source of eddies for themselves, collectively to a common 'global' Flow oscillations interact.
  • This method is based on a special situation tailored to the presence of one acoustic resonator, whose frequency is based on that of radiated by the global flow oscillations acoustic waves is tuned and because of Interaction between the detached unstable flow and the acoustic wave for self-excitation specific global flow oscillations.
  • This Concept is therefore not transferable from the approach Cases where global flow oscillations are excited are through completely different self-excitation mechanisms. For example, it is known that an obstacle is introduced into a detached unstable flow, the appearance of global flow oscillations can cause specific details of the generated vortices such as the frequency the emitted acoustic wave or the geometric Arrangement of vortices in succession relative to one another to each other from details such as B.
  • inventive method is characterized by the features of claim 1 and the inventive Device for applying the method is by the Features of claim 11 characterized.
  • the inventive method for global steaming Flow oscillations in a flowing medium in the Area of one of at least one interface replacing unstable flow is now the global oscillations with a sensor system and the flowing medium one with the signals of the Sensor system controlled compensatory oscillation in a separation zone of the detached unstable flow vomge ceremoniesgen.
  • the invention contains Device a generator that the flowing medium compensatory oscillation in a separation zone of the detached unstable flow, and a Control system that evaluates the signals from the sensor system and regulates the compensatory oscillation so that the Amplitude of a given global oscillation by one predetermined factor is damped.
  • the method according to the invention consequently consists in using Help capture an existing global Flow oscillation using a sensor system approximate for a given area of the separation zone to identify a perturbation that the observed Flow oscillation would result, and this the flow in the given area of the separation zone in phase opposition and possibly with a weakened amplitude, d. H.
  • global flow oscillations unite Representing a periodic process allows the recording a flow oscillation at a given time Determination of a compensatory disturbance which, in phase of the flow in a given range of Peeling zone imprinted, only the next or one of the can dampen the following vortex formation.
  • FIG. 1 shows examples of flow systems that form different global flow oscillations can, and the associated for each flow system Frequency spectrum of the signals P of a pressure sensor 13, the is intended to be at a point in the range of one detached unstable flow global To detect flow oscillations without the flow to influence itself significantly.
  • These examples serve as a starting point for a description of how it works of the inventive method and for the description of Embodiments of devices for its use.
  • FIG. 1A-D shows 4 flow systems, each of which same source for a detached unstable flow 10 have a slot 9 of width h that any flowing medium, e.g. B. a liquid, a gas or a Gas-liquid mixture, with the density ⁇ of Flow velocity V crosses.
  • the flow systems are each perpendicular in cross section through the slot 9 shown, d. H.
  • the slot 9 is defined by two Limiting elements 9a, 9b perpendicular to the paper plane. It it is also assumed that the slot width h is very small is opposite the height of the slot and that the cross sections shown in the central region of the Slot are located where the flow conditions in the vertical direction are considered to be invariant can.
  • the slot width h is very small is opposite the height of the slot and that the cross sections shown in the central region of the Slot are located where the flow conditions in the vertical direction are considered to be invariant can.
  • a condition for self-excitement of Flow oscillations occur when downstream after detachment, an obstacle to the further course the flow influences as in the arrangements in FIG. 1B-D.
  • the narrow-band maxima represent pressure pulsations, the amplitudes of which are a measure for the intensities of global flow oscillations are.
  • the frequencies f and die Intensity of flow oscillations other than that Flow velocity V from the geometric arrangement of the obstacle with respect to slot 9 (FIG. 1B: Gap 7; FIG. 1C: wedge 14; FIG. 1D: gap 8 with Side walls).
  • Flow oscillations necessary for the implementation of the The method according to the invention is relevant, but not the Frequency spectra of a pressure sensor can be taken is the spatial arrangement of the one after the other Vortex viewed at a given time. To a given time can under different Conditions generated a different vortex have spatial geometry.
  • the in FIG. 1 shown Flow systems have e.g. B. 2 transfer points, of which each the edge point one downstream extending unstable layer form.
  • vertebrae can do more or less simultaneously (symmetrical modes, e.g. vortex 6a, 6b in FIG. 1D) or in phase opposition, d. H. in same Time intervals alternately either at the transfer point 11 or at separation point 12 (antisymmetric modes, e.g. vortex 5a, 5b in FIG. 1C) arise, the perfectly symmetrical or perfectly antisymmetric flow oscillations usually have the greatest intensity.
  • This temporal Processes must be in a phase-appropriate synthesis of a compensatory oscillation to dampen the global Flow oscillation are taken into account.
  • FIG. 2 is the one causing the flow oscillation Obstacle, the wedge 14, symmetrical to the perpendicular the slot 9, the x-axis.
  • This is an example of one antisymmetric flow oscillation.
  • the essential Parameters with regard to the active damping of the Flow oscillations are recorded, their frequency and a measure of their intensity.
  • Preferred sensors for detecting the frequency and the The intensity of the flow oscillation is a pressure sensor or a sensor for measuring the flow velocity.
  • Preferred positions for such sensors are points in the flowing medium, on the one hand the sensor itself influenced the flow only little and not itself to the The trigger of flow oscillations. Are on the other side to optimize sensor sensitivity points in the Area of influence of the vertebrae with the greatest expansion or Points close to the flow oscillation causing obstacle advantageous.
  • the sensor can also be built into the obstacle.
  • An alternative sensor for detecting the frequency and the Intensity of flow oscillation is a force sensor, which detects the force that the flow has on the Obstacle 14 exercises.
  • Suitable sensors are commercially available: as Pressure sensor is suitable, for example, as a microphone Sensor for measuring the flow rate Hot wire instrument, strain gauges as force sensors or piezoelectric or piezoresistive sensors.
  • FIG. 3 An efficient alternative to this acoustic method to generate a compensatory oscillation shows FIG. 3.
  • the stabilization is a unstable layer achieved by an oscillation of the corresponding separation point.
  • This oscillation can be caused by a mechanical movement of a Element of the interface from which the unstable Current takes over.
  • Such a tilt leads to a shift the separation points perpendicular to the boundary elements and thus to a lateral deflection of an unstable one Layer across the current. This deflection is by means of Control signals of the sensor system so that a malfunction the unstable layer near a peel point is compensated.
  • the amplitudes and phases of the two excitation sources 17, 18 are controlled by a signal that results from the signal of the sensor 13 by frequency filtering and / or amplification and / or phase shift.
  • the signals from sensor 13 are fed to a frequency filter 25 (24). This frequency filtering is optional and only serves to suppress noise.
  • the frequency-filtered signal is fed via line 27 to an amplifier element 29 and from there via line 31 to excitation source 18. This signal determines the amplitude and phase of the excitation source 31. Accordingly, the amplitude and phase of the excitation source 17 is derived from the signal of the sensor 13 modified by the frequency filter 25 and the amplifier element 28 and transmitted via the connecting lines 26, 30.
  • the function of the amplifier elements 28, 29 is it is on the one hand to amplify the supplied signals by a (generally frequency-dependent) factor G i and to shift the phase by a (generally frequency-dependent) value ⁇ i (i: index for amplifier element).
  • This example can be generalized analogously to Systems with any number of excitation sources or oscillating separation points.
  • an amplifier element like elements 28, 29 and appropriate connections for signal transmission provided.
  • the in FIG. 4 documented destabilization for larger amplifications is characteristic of amplifier elements 29 and 28, in which the phases ⁇ i cannot be controlled in a controlled manner over the entire frequency range effective for the amplification.
  • the phases ⁇ i can generally only be adjusted such that the feedback of the signals from the sensor 13 to the detached unstable flow has a damping effect on global flow oscillations only within a limited frequency range. Outside this frequency range, the feedback has a reinforcing effect for flow oscillations. These become dominant if the feedback is sufficiently strong to sufficiently suppress the flow oscillation that is present without feedback of the signals from the sensor 13 in comparison to the amplified flow oscillation. Consequently, with this type of generating compensatory feedback, the intensity of global flow oscillations integrated over all frequencies has a minimum for certain values for G i > 0.
  • the aforementioned instability problems can be remedied by adapting the gain G i and / or the phases ⁇ i over a wide frequency range.
  • an optimization of the damping of a flow oscillation can be automated according to predetermined criteria.
  • a frequency analyzer for the sensor signals is used to control the optimization.
  • Commercially available amplifier elements are suitable for carrying out this optimization.
  • FIG. 5A-F show experimental results for an arrangement according to FIG. 2.
  • Frequency spectra of the signals from sensor 13 are compared for undamped (dashed lines) and, under various conditions, attenuated (solid lines) by compensatory feedback (solid lines) flow oscillations.
  • conventional amplifier elements 28, 29, in the cases of FIG. 5D-F uses adaptive amplifier elements 28, 29 over the frequency range 0-500 Hz.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Dämpfen globaler Strömungsoszillationen in einem strömenden Medium und eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens.The invention relates to a method for active steaming global flow oscillations in a flowing medium and a device for Application of the procedure.

Globale Strömungsoszillationen sind selbsterregte wirbelförmige Störungen, die periodisch in abgelösten instabilen Strömungen entstehen und strömungsabwärts propagieren. Eine abgelöste Strömung bezeichnet eine Strömung, die sich von mindestens einer sie begrenzenden Grenzfläche ablöst, d. h. bedingt durch die Form der Grenzfläche folgen die Strömungslinien ab einem sogenannten Ablosepunkt nicht menr der Grenzfläche, sie verlaufen nicht mehr parallel zu dieser. Verbunden mit der Ablösung der Strömung ist häufig eine Neigung zu instabilem Verhalten, d. h. die Strömung hat nach der Ablösung zumindest eine instabile, einer Strömungslinie folgenden Schicht, die sich dadurch auszeichnet, dass eine kleine Auslenkung der Schicht strömungsabwärts durch Aufnahme von Energie aus der Strömung beständig verstärkt wird, bis nichtlineare Prozesse dieses Wachstum begrenzen. Als Folge der Nichtlinearitäten geht eine Störung schliesslich in einen Wirbel über. Nach diesem Szenario bilden sich die eingangs genannten Strömungsoszillationen aus kleinen Störungen einer instabilen Schicht in der Nähe eines Ablösepunktes. Eine bekannte hinreichende Bedingung für ein instabile Schicht ist beispielsweise ein Wendepunkt des Geschwindigkeitsprofils der Strömung längs einer Linie orthogonal zu den Strömungslinien. Solch eine instabile Schicht wird als Scherschicht bezeichnet. Strömungen mit mehreren Ablösepunkten können mehrere instabile Schichten haben, die, jede für sich eine Quelle für Wirbel bildend, kollektiv zu einer gemeinsamen 'globalen' Strömungsoszillationen zusammenwirken.Global flow oscillations are self-excited vertebral disorders that periodically detached in unstable currents arise and downstream propagate. A detached flow denotes one Current that is limited by at least one of them Detaches from the interface, d. H. due to the shape of the The flow lines follow an interface from a so-called Draw point not at the interface, they do not run more parallel to this. Associated with the replacement of the Flow is often a tendency to unstable behavior, d. H. the flow has at least one after detachment unstable layer following a flow line characterized in that a small deflection of the Downstream by absorbing energy from the Flow is steadily amplified until nonlinear Processes limit this growth. As a result of In the end, nonlinearities go into one Whirl about. According to this scenario, the initials are formed called flow oscillations from small disturbances an unstable layer near a peel point. A known sufficient condition for an unstable For example, layer is a turning point of the Velocity profile of the flow along a line orthogonal to the flow lines. Such an unstable one Layer is called shear layer. Currents with Multiple peel points can have multiple unstable layers who, each forming a source of eddies for themselves, collectively to a common 'global' Flow oscillations interact.

Charakteristisch für diese Strömungsoszillationen ist, dass Wirbel aufgrund eines Selbsterregungsmechanismus periodisch entstehen und sie eine Quelle für akustische Wellen mit der Frequenz, die der Generationsrate der Wirbel entspricht, darstellen. Wegen dieser akustischen Abstrahlung sind diese globalen Strömungsoszillationen in technischen Strömungssystemen unerwünscht, nicht nur, weil sie meist im niederfrequenten Bereich < 10 kHz auftreten und deshalb im Sinne einer Lärmbelästigung störend sind, sondern weil sie in speziellen Konfigurationen derart intensiv werden können, dass sie z. B. zu Materialermüdung in dem Schall ausgesetzten Festkörpern führen können. Solch eine Materialermüdung in Strömungssystemen kann schwerwiegende Folgen haben, wird sie nicht von Grund auf vermieden oder wird ihr nicht frühzeitig durch rouliemässige Inspektion und Reparatur abgeholfen. Dampf- und Kühlwasserleitungen in Kraftwerken oder gassumströmte Flugkörper wie Flugzeuge sind nur zwei Beispiele, wo globale Strömungsoszillationen auftreten können und möglicherweise durch sie die Betriebssicherheit wegen Materialermüdung gefährdet wird.It is characteristic of these flow oscillations that Vertebrae periodically due to a self-excitation mechanism arise and they are a source of acoustic waves with the Frequency that corresponds to the generation rate of the vertebrae, represent. Because of this acoustic radiation, they are global flow oscillations in technical Flow systems undesirable, not only because they are mostly in the low frequency range <10 kHz occur and therefore in Are annoying in terms of noise pollution, but because they become so intense in special configurations can that z. B. to material fatigue in the sound exposed solids can lead. Such a Material fatigue in flow systems can be serious Consequences, it is not avoided from scratch or you will not get early through rouliem inspection and repaired. Steam and cooling water pipes in Power plants or gas-flowed missiles such as airplanes are just two examples of where global flow oscillations are can occur and possibly through them the Operational safety is endangered due to material fatigue.

Nicht immer ist es auch bei Verwendung aller Kenntnisse über die Voraussetzungen für das Auftreten von globalen Strömungsoszillationen möglich, ein Strömungssystem so auszulegen, dass globale Strömungsoszillationen vermieden werden. Für diese Fälle besteht ein Interesse an aktiven Regelungsmethoden, die es erlauben, vorhandene Strömungsoszillationen mittels geeigneter kompensatorischer Rückkopplung gezielt zu dämpfen.It is not always when using all knowledge about the conditions for the appearance of global Flow oscillations possible, a flow system like this interpret that global flow oscillations avoided become. In these cases there is an interest in active ones Control methods that allow existing ones Flow oscillations using suitable compensatory To dampen feedback in a targeted manner.

Ein Verfahren zum aktiven Dämpfen globaler Strömungsoszillationen mittels Rückkopplung ist bereits bekannt. Der Artikel 'On the active control of shear layer oscillations across a cavity in the presence of pipeline acoustic resonance' von X. Y. Huang et al., Journal of Fluids and Structures 5, 207-219 (1991), beschreibt ein Verfahren zur aktiven Dämpfung von globalen Strömungsoszillationen in einem Strömungssystem für Luft, bei dem ein Teil der die strömende Luft einschliessenden Wände als ein akustischer Resonator für die akustische Welle ausgebildet ist, die aufgrund globaler Strömungsoszillationen im Resonator generiert wird. In dem beschriebenen Verfahren zur aktiven Dämpfung der globalen Strömungsoszillationen wird eine kompensatorische Rückkopplung erzielt, indem die akustische Welle im Resonator kompensiert wird mit der in den Resonator eingekoppelten Schallabstrahlung eines Lautsprechers, wobei der Lautsprecher mit den geeignet frequenzgefilterten, verstärkten und phasenverschobenen Signalen eines Sensors, der die globalen Strömungsoszillationen erfasst, getrieben wird. Mittelbar wird mit der Kompensation der akustischen Welle auch die globale Strömungsoszillation gedämpft.A method of active steaming globally Flow oscillations using feedback is already there known. The article 'On the active control of shear layer oscillations across a cavity in the presence of pipeline acoustic resonance 'by X. Y. Huang et al., Journal of Fluids and Structures 5, 207-219 (1991) Procedure for active damping of global Flow oscillations in a flow system for air, in which a part of the air is trapped Walls as an acoustic resonator for acoustic Wave is formed due to global Flow oscillations in the resonator is generated. By doing described methods for active damping of the global Flow oscillations become compensatory Feedback achieved by the acoustic wave in the Resonator is compensated with that in the resonator coupled sound radiation from a speaker, wherein the loudspeaker with the appropriately frequency-filtered, amplified and phase-shifted signals from a sensor, which detects the global flow oscillations, driven becomes. Indirect is the compensation of the acoustic Wave also dampened global flow oscillation.

Diese Methode ist auf eine spezielle Situation zugeschnitten, nämlich auf das Vorhandensein eines akustischen Resonators, der in seiner Frequenz auf die von den globalen Strömungsoszillationen abgestrahlten akustischen Wellen abgestimmt ist und wegen der Wechselwirkung zwischen der abgelösten instabilen Strömung und der akustischen Welle für die Selbsterregung spezifischer globaler Strömungsoszillationen sorgt. Dieses Konzept ist daher vom Ansatz her nicht übertragbar auf Fälle, in denen globale Strömungsoszillationen angeregt werden durch völlig andere Selbsterregungsmechanismen. Beispielsweise ist bekannt, dass ein Hindernis, eingebracht in eine abgelöste instabile Strömung, das Auftreten von globalen Strömungsoszillationen verursachen kann, wobei spezifische Details der erzeugten Wirbel wie die Frequenz der abgestrahlten akustischen Welle oder die geometrische Anordnung zeitlich nacheinander entstandener Wirbel relativ zu einander von Einzelheiten wie z. B. der Form des Hindernisses und der Strömungsgeschwindigkeit und der Zähigkeit des strömenden Mediums abhängt. Eine akustische Resonanz ist in diesem Beispiel kein Auslöser für die Strömungsoszillation. Vielmehr wirken Fluktuationen in instabilen Schichten nach dem Auftreffen auf das Hindernis strömungsaufwärts auf die instabilen Schichten in der Nähe der Ablösepunkte zurück. Diese Rückwirkung sorgt für eine Selbstanregung von globalen Strömungsoszillationen, d. h. durch permanente Rückwirkung reproduzieren sich gleichartige Wirbel periodisch immer wieder.This method is based on a special situation tailored to the presence of one acoustic resonator, whose frequency is based on that of radiated by the global flow oscillations acoustic waves is tuned and because of Interaction between the detached unstable flow and the acoustic wave for self-excitation specific global flow oscillations. This Concept is therefore not transferable from the approach Cases where global flow oscillations are excited are through completely different self-excitation mechanisms. For example, it is known that an obstacle is introduced into a detached unstable flow, the appearance of global flow oscillations can cause specific details of the generated vortices such as the frequency the emitted acoustic wave or the geometric Arrangement of vortices in succession relative to one another to each other from details such as B. the shape of the Obstacle and the flow velocity and the Viscosity of the flowing medium depends. An acoustic In this example, resonance is not a trigger for Flow oscillation. Rather, fluctuations affect unstable layers after hitting the obstacle upstream to the unstable strata nearby the transfer points back. This retroactive effect ensures Self-excitation from global flow oscillations, i. H. reproduce through permanent feedback like vertebrae periodically again and again.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum aktiven Dämpfen globaler Strömungsoszillationen, das

  • universell, d. h. unabhängig von spezifischen Anregungsmechanismen für die Strömungsoszillationen funktioniert und
  • möglichst effizient ist, d. h. möglichet wenig Loictung zum Dämpfen verbraucht,
und eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens zu schaffen.It is the object of the present invention to provide a method for actively damping global flow oscillations
  • universal, ie works independently of specific excitation mechanisms for the flow oscillations and
  • is as efficient as possible, ie uses as little solution as possible for steaming,
and to provide an apparatus for applying this method.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens wird durch die Merkmale des Anspruchs 11 gekennzeichnet. The inventive method is characterized by the features of claim 1 and the inventive Device for applying the method is by the Features of claim 11 characterized.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee beruht auf der Vorstellung, dass im allgemeinen die globalen Oszillationen sich periodisch reproduzierende Störungen einer abgelösten instabilen Strömung sind, die aufgrund irgendeiner nicht näher spezifizierten Ursache in unmittelbarer Nähe des Ablösepunktes der Strömung erzeugt werden, und dass es eine Eigenschaft einer instabilen Strömung ist, diese Störungen gemessen an ihrer Ausdehnung und an der in ihnen gespeicherten Energie zu verstärken, bis nichtlineare Prozesse einer weiteren Verstärkung entgegenstehen.The idea underlying the invention is based on the Idea that in general the global oscillations periodically reproducing disturbances of a detached one are unstable flow because of some not specified cause in the immediate vicinity of the Separation point of the flow are generated and that there is a The characteristic of an unstable flow is these disturbances measured by their extent and by that in them amplify stored energy until nonlinear Processes stand in the way of further reinforcement.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Dämpfen globaler Strömungsoszillationen in einem strömenden Medium im Bereich einer sich von mindestens einer Grenzfläche ablösenden instabilen Strömung besteht nun darin, die globalen Oszillationen mit einem Sensorsystem zu erfassen und dem strömenden Medium eine mit den Signalen des Sensorssystems geregelte kompensatorische Oszillation in einer Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung aufzugeprägen. Entsprechend enthält die erfindungsgemässe Vorrichtung einen Generator, der dem strömenden Medium eine kompensatorische Oszillation in einer Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung aufprägt, und ein Regelsystem, das die Signale des Sensorsystems auswertet und die kompensatorischen Oszillation so regelt, dass die Amplitude einer vorgegebenen globalen Oszillation um einen vorgegebenen Faktor gedämpft wird.The inventive method for global steaming Flow oscillations in a flowing medium in the Area of one of at least one interface replacing unstable flow is now the global oscillations with a sensor system and the flowing medium one with the signals of the Sensor system controlled compensatory oscillation in a separation zone of the detached unstable flow aufzugeprägen. Accordingly, the invention contains Device a generator that the flowing medium compensatory oscillation in a separation zone of the detached unstable flow, and a Control system that evaluates the signals from the sensor system and regulates the compensatory oscillation so that the Amplitude of a given global oscillation by one predetermined factor is damped.

Unter Ablösezone wird hier ein an einem Ablösepunkt beginnender und sich strömungsabwärts erstreckender Bereich der instabilen Strömung verstanden, in dem eine Störung der Strömung strömungsabwärts verstärkt wird. Die kompensatorische Oszillation ist idealerweise eine direkte Beeinflussung der abgelösten instabilen Strömung dergestalt, dass eine in einem vorgegebenen Teil der Ablösezone vorhandene kleine Störung, die sich unbeeinflusst aufgrund der Verstärkerwirkung der instabilen Strömung vergrössern und in einen Wirbel fortentwickeln würde, exakt kompensiert wird. Naturgemäss kann sich bei exakter Kompensation der Störung vor ihrer Verstärkung kein ausgedehnter Wirbel entwickeln, da der Wirkung die Ursache genommen ist. Unter einer kompensatorischen Oszillation soll im folgenden allgemein eine direkte Beeinflussung der abgelösten instabilen Strömung verstanden werden dergestalt, dass eine in einem vorgegebenen Teil der Ablösezone vorhandene kleine Störung, die sich unbeeinflusst aufgrund der Verstärkerwirkung der instabilen Strömung vergrössern und in einen Wirbel fortentwickeln würde, in ihrer Amplitude reduziert wird. Dann ist die globale Strömungsoszillation aufgrund der kompensatorischen Oszillation im allgemeinen nicht perfekt unterdrückt, sondern nur in ihrer Intensität, gemessen an der von der Störung aufgenommenen Energie oder der Intensität der von der Strömungsoszillation ausgehenden akustischen Welle, gedämpft.Under separation zone there is one at a separation point beginning and downstream area understood the unstable flow in which a disturbance of the Flow is strengthened downstream. The compensatory oscillation is ideally a direct one Influencing the detached unstable flow in such a way that one in a predetermined part of the Peeling zone existing small disturbance, which itself unaffected due to the amplifying effect of the unstable Increase current and develop into a vortex would be compensated exactly. Naturally, at exact compensation of the disturbance before amplification extensive vertebrae develop because of the effect the cause is taken. Under a compensatory oscillation is in the following generally a direct influence on the detached unstable flow can be understood in such a way that one in a predetermined part of the Peeling zone existing small disturbance, which itself unaffected due to the amplifying effect of the unstable Increase current and develop into a vortex would be reduced in amplitude. Then it is global flow oscillation due to the compensatory Oscillation in general not perfectly suppressed, but only in their intensity, measured by that of the Energy absorbed or the intensity of the disorder the acoustic wave emanating from the flow oscillation, attenuated.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht folglich darin, mit Hilfe einer Erfassung einer vorhandenen globalen Strömungsoszillation mittels eines Sensorsystems approximativ für einen gegebenen Bereich der Ablösezone eine Störung zu ermitteln, die die beobachtete Strömungsoszillation ergeben würde, und diese der Strömung in dem gegebenen Bereich der Ablösezone gegenphasig und gegebenenfalls mit abgeschwächter Amplitude, d. h. mit kompensatorischer Wirkung für die vorhandenen Störungen, zu überlagern. Da die globalen Strömungsoszillationen einen periodischen Prozess darstellen, erlaubt die Erfassung einer Strömungsoszillation zu einem gegebenen Zeitpunkt die Bestimmung einer kompensatorischen Störung, die, phasengerecht der Strömung in einem vorgegeben Bereich der Ablösezone aufgeprägt, erst die nächste oder eine der folgenden Wirbelbildungen zu dämpfen vermag.The method according to the invention consequently consists in using Help capture an existing global Flow oscillation using a sensor system approximate for a given area of the separation zone to identify a perturbation that the observed Flow oscillation would result, and this the flow in the given area of the separation zone in phase opposition and possibly with a weakened amplitude, d. H. With compensatory effect for the existing disturbances, too overlap. Because global flow oscillations unite Representing a periodic process allows the recording a flow oscillation at a given time Determination of a compensatory disturbance which, in phase of the flow in a given range of Peeling zone imprinted, only the next or one of the can dampen the following vortex formation.

Da diese Überlegung zur Funktionsweise des erfindungsgemässen Verfahren nicht abhängt von einem speziellen Selbsterregungsmechanismus, ist dieses Verfahren universell anwendbar zur Dämpfung globaler Strömungsoszillationen. Seine Effizienz ist deshalb hoch, weil die zur Dämpfung einer Strömungsoszillation aufzubringende Energie nur der Energie entspricht, die benötigt wird, um in einem Teil der Ablösezone die zu kompensierende Störung zu erzeugen. Diese Energie ist aber klein gegenüber der Energie, die die ungedämpfte Strömungsoszillation repräsentiert, da die Strömungsoszillation aufgrund des beschriebenen Verstärkungsmechanismus Energie aus der Strömung aufnimmt. Die hohe Effizienz des erfindungsgemässen Verfahrens resultiert auf der Beeinflussung einer instabilen Strömung an ihrer empfindlichsten Region, dort wo die Strömung, strömungsabwärts betrachtet, instabil wird und der Verstärkungsmechanismus zu wirken beginnt.Since this consideration of how the The method according to the invention does not depend on one special self-excitation mechanism, is this procedure universally applicable to dampen global Flow oscillations. Its efficiency is therefore high, because they dampen a flow oscillation energy to be applied only corresponds to the energy that is needed to move the part of the peeling zone to generate compensating interference. But this energy is small compared to the energy that the undamped Flow oscillation represents since the Flow oscillation due to the described Amplification mechanism absorbs energy from the flow. The high efficiency of the method according to the invention results in influencing an unstable flow at their most sensitive region, where the current, considered downstream, becomes unstable and the Reinforcement mechanism begins to work.

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Anwendung im Detail erläutert anhand der folgenden schematischen Figuren. Es zeigen:

FIG. 1A
eine Konfiguration für abgelöste instabile Strömung ohne globale Strömungsoszillation;
FIG. 1B
eine Konfiguration für abgelöste instabile Strömung mit schwach ausgeprägter globaler Strömungsoszillation;
FIG. 1C
eine Konfiguration für abgelöste instabile Strömung mit ausgeprägter antisymmetrischer globaler Strömungsoszillation;
FIG. 1D
eine Konfiguration für abgelöste instabile Strömung mit ausgeprägter symmetrischer globaler Strömungsoszillation;
FIG. 1E-F
Frequenzspektren der Signale eines Sensors zur Erfassung der Strömungsoszillationen der Konfigurationen in FIG. 1A-D;
FIG. 2
eine Anordnung zur aktiven Dämpfung von globalen Strömungsoszillationen mittels Rückkopplung: Querströmung als kompensatorische Oszillation;
FIG. 3
eine Anordnung zur Erzeugung einer kompensatorischen Oszillation: Oszillation eines Ablösepunktes;
FIG. 4A-H
Frequenzspektren von Sensorsignalen zur Erfassung von Strömungsoszillationen für verschiedene in der Ablösezone aufgeprägte kompensatorische Oszillationen;
FIG. 5A-C
Frequenzspektren von Sensorsignalen zur Erfassung von Strömungsoszillationen für schmalbandig phasenangepasste kompensatorische Rückkopplung;
FIG. 5D-F
Frequenzspektren von Sensorsignalen zur Erfassung von Strömungsoszillationen für breitbandig phasenangepasste kompensatorische Rückkopplung;
FIG. 6A-B
Sensorsignale zur Erfassung von Strömungsoszillationen als Funktion der Zeit beim An- und Abschalten der aktiven Dämpfung.
FIG. 7
Anordnung zur aktiven Dämpfung von Strömungsoszillationen an einem akustischen Resonator mit einer Öffnung, die einer Strömung längs einer Grenzfläche zugewandt ist.
The method according to the invention and a device for its use are explained in detail below with reference to the following schematic figures. Show it:
FIG. 1A
a configuration for detached unstable flow without global flow oscillation;
FIG. 1B
a configuration for detached unstable flow with weak global flow oscillation;
FIG. 1C
a configuration for detached unstable flow with pronounced antisymmetric global flow oscillation;
FIG. 1D
a configuration for detached unstable flow with pronounced symmetrical global flow oscillation;
FIG. 1E-F
Frequency spectra of the signals from a sensor for detecting the flow oscillations of the configurations in FIG. 1A-D;
FIG. 2
an arrangement for active damping of global flow oscillations by means of feedback: cross flow as compensatory oscillation;
FIG. 3
an arrangement for generating a compensatory oscillation: oscillation of a separation point;
FIG. 4A-H
Frequency spectra of sensor signals for recording flow oscillations for various compensatory oscillations impressed in the separation zone;
FIG. 5A-C
Frequency spectra of sensor signals for the detection of flow oscillations for narrow-band phase-adjusted compensatory feedback;
FIG. 5D-F
Frequency spectra of sensor signals for the detection of flow oscillations for broadband phase-adjusted compensatory feedback;
FIG. 6A-B
Sensor signals for the detection of flow oscillations as a function of time when the active damping is switched on and off.
FIG. 7
Arrangement for actively damping flow oscillations on an acoustic resonator with an opening which faces a flow along an interface.

FIG. 1 zeigt Beispiele für Strömungssysteme, die verschiedene globale Strömungsoszillationen ausbilden können, und für jedes Strömungssystem das zugehörige Frequenzspektrum der Signale P eines Drucksensors 13, der dazu bestimmt ist, an einem Punkt im Bereich einer abgelösten instabilen Strömung globale Strömungsoszillationen zu erfassen, ohne die Strömung selbst wesentlich zu beeinflussen. Diese Beispiele dienen als Ausgangspunkt für eine Beschreibung der Funktionsweise des erfindungsgemässen Verfahrens und zur Beschreibung von Ausführungsformen von Vorrichtungen zu dessen Anwendung.FIG. 1 shows examples of flow systems that form different global flow oscillations can, and the associated for each flow system Frequency spectrum of the signals P of a pressure sensor 13, the is intended to be at a point in the range of one detached unstable flow global To detect flow oscillations without the flow to influence itself significantly. These examples serve as a starting point for a description of how it works of the inventive method and for the description of Embodiments of devices for its use.

Die FIG. 1A-D zeigt 4 Strömungssysteme, die jeweils die gleiche Quelle für eine abgelöste instabile Strömung 10 aufweisen, einen Schlitz 9 der Breite h, den ein beliebiges strömendes Medium, z. B. eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gas-Flüssigkeitsgemisch, mit der Dichte ρ der Strömungsgeschwindigkeit V durchquert. Die Strömungssysteme sind jeweils im Querschnitt senkrecht durch den Schlitz 9 gezeigt, d. h. der Schlitz 9 wird definiert durch zwei Begrenzungselemente 9a, 9b senkrecht zur Papierebene. Es ist ferner angenommen, dass die Schlitzbreite h sehr klein ist gegenüber der Höhe des Schlitzes und dass die dargestellten Querschnitte im mittleren Bereich des Schlitzes angesiedelt sind, wo die Strömungsverhältnisse in der vertikalen Richtung als invariant angesehen werden können. In der 2-dimensionalen Darstellung in den FIG. 1A-D löst sich die Strömung an 2 Ablösepunkten 11 und 12 von zwei sie begrenzenden Grenzflächen des Schlitzes 9 ab. Nach der Ablösung bewegt sich die Strömung, sofern kein Hindornis im Wege steht (FIG. 1A), frei von weiteren richtungsbestimmenden Grenzflächen und ist bei ihrer Propagation nur durch innere Reibung, beschrieben durch die kinematische Zähigkeit ν, limitiert. Es sei vorausgesetzt, dass bei dieser freien Propagation keine Selbsterregungsmechanismen für globale Strömungsoszillationen realisiert seien (z. B. eine akustische Resonanz). Das Frequenzspektrum des Drucksensors 13 weist dann nur auf eine schwache, breitbandige Fluktuation in der Nähe der Frequenz f=0 hin (Kurve a in FIG. 1E). Eine Bedingung für die Selbsterregung von Strömungsoszillationen ist gegeben, wenn strömungsabwärts nach erfolgter Ablösung ein Hindernis den weiteren Verlauf der Strömung beeinflusst wie in den Anordnungen in FIG. 1B-D. Charakteristisch für diese Fälle sind eine Anhebung des Niveaus der breitbandigen Fluktuation in der Nähe der Frequenz f=0 und das Auftreten von schmalbandigen Maxima bei höheren Frequenzen. Die schmalbandigen Maxima repräsentieren Druckpulsationen, deren Amplituden ein Mass für die Intensitäten der globalen Strömungsoszillationen sind. Offensichtlich hängen die Frequenzen f und die Intensität der Strömungsoszillationen ausser von der Strömungsgeschwindigkeit V von der geometrischen Anordnung des Hindernisses in Bezug auf den Schlitz 9 ab (FIG. 1B: Spalt 7; FIG. 1C: Keil 14; FIG. 1D: Spalt 8 mit Seitenwänden). Eine weitere Eigenschaft der Strömungsoszillationen, die für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens relevant ist, aber nicht den Frequenzspektren eines Drucksensor entnommen werden kann, ist die räumliche Anordnung der nacheinander erzeugten Wirbel, betrachtet zu einem gegebenen Zeitpunkt. Zu einem gegebenen Zeitpunkt können die unter verschiedenen Bedingungen generierten Wirbel eine unterschiedliche räumliche Geometrie aufweisen. Die in FIG. 1 gezeigten Strömungssysteme haben z. B. 2 Ablösepunkte, von denen jeder den Randpunkt einer sich strömungsabwärts erstreckenden instabilen Schicht bilden. Die in den beiden instabilen Schichten separat generierten, aber zu einer gemeinsamen Strömangsoszillation beitragenden Wirbel können sich ausser in ihrem Drehsinn noch unterscheiden durch die Zeitdifferenz zwischen der Erzeugung eines Wirbels in der einen instabilen Schicht und der Erzeugung des nächsten Wirbels in der anderen instabilen Schicht, wobei diese Zeitdifferenz einen unterschiedlichen Abstand der beiden Wirbel von den Ablösepunkten 11 und 12 am Schlitz 9 bedeuten. In den beiden Schichten können Wirbel mehr oder weniger gleichzeitig (symmetrische Moden, z. B. Wirbel 6a, 6b in FIG. 1D) oder gegenphasig, d. h. in gleichen Zeitabständen abwechselnd entweder am Ablösepunkt 11 oder am Ablösepunkt 12 (antisymmetrische Moden, z. B. Wirbel 5a, 5b in FIG. 1C) entstehen, wobei die perfekt symmetrischen oder perfekt antisymmetrischen Strömungsoszillationen gewöhnlich die grösste Intensität haben. Diese zeitlichen Abläufe müssen bei einer phasengerechten Synthese einer kompensatorischen Oszillation zur Dämpfung der globalen Strömungsoszillation berücksichtigt werden.The FIG. 1A-D shows 4 flow systems, each of which same source for a detached unstable flow 10 have a slot 9 of width h that any flowing medium, e.g. B. a liquid, a gas or a Gas-liquid mixture, with the density ρ of Flow velocity V crosses. The flow systems are each perpendicular in cross section through the slot 9 shown, d. H. the slot 9 is defined by two Limiting elements 9a, 9b perpendicular to the paper plane. It it is also assumed that the slot width h is very small is opposite the height of the slot and that the cross sections shown in the central region of the Slot are located where the flow conditions in the vertical direction are considered to be invariant can. In the 2-dimensional representation in FIGS. 1A-D the flow separates from 2 separation points 11 and 12 two boundary surfaces of the slot 9 delimiting them. To the flow moves, if none Hindornis stands in the way (FIG. 1A), free of others directional interfaces and is at their Propagation only through inner friction, described by the kinematic toughness ν, limited. It is assumed that with this free propagation none Self-excitation mechanisms for global Flow oscillations are realized (e.g. a acoustic resonance). The frequency spectrum of the pressure sensor 13 then only points to a weak, broadband Fluctuation near the frequency f = 0 (curve a in FIG. 1E). A condition for self-excitement of Flow oscillations occur when downstream after detachment, an obstacle to the further course the flow influences as in the arrangements in FIG. 1B-D. A characteristic of these cases is an increase in the Broadband fluctuation levels near the Frequency f = 0 and the occurrence of narrowband maxima at higher frequencies. The narrow-band maxima represent pressure pulsations, the amplitudes of which are a measure for the intensities of global flow oscillations are. Obviously the frequencies f and die Intensity of flow oscillations other than that Flow velocity V from the geometric arrangement of the obstacle with respect to slot 9 (FIG. 1B: Gap 7; FIG. 1C: wedge 14; FIG. 1D: gap 8 with Side walls). Another property of Flow oscillations necessary for the implementation of the The method according to the invention is relevant, but not the Frequency spectra of a pressure sensor can be taken is the spatial arrangement of the one after the other Vortex viewed at a given time. To a given time can under different Conditions generated a different vortex have spatial geometry. The in FIG. 1 shown Flow systems have e.g. B. 2 transfer points, of which each the edge point one downstream extending unstable layer form. The one in the two unstable layers generated separately, but to one common vortex oscillation contributing vortices differ in their sense of rotation by the Time difference between the creation of a vortex in the one unstable layer and generating the next Vortex in the other unstable layer, this one Time difference a different distance between the two Vortex from separation points 11 and 12 at slot 9 mean. In the two layers, vertebrae can do more or less simultaneously (symmetrical modes, e.g. vortex 6a, 6b in FIG. 1D) or in phase opposition, d. H. in same Time intervals alternately either at the transfer point 11 or at separation point 12 (antisymmetric modes, e.g. vortex 5a, 5b in FIG. 1C) arise, the perfectly symmetrical or perfectly antisymmetric flow oscillations usually have the greatest intensity. This temporal Processes must be in a phase-appropriate synthesis of a compensatory oscillation to dampen the global Flow oscillation are taken into account.

Unter Berücksichtigung der genannten Grundeigenschaften der globalen Strömungsoszillationen soll nun anhand eines der in FIG. 1 aufgeführten Strömungssysteme das erfindungsgemässe Verfahren zur Dämpfung der Strömungsoszillationen und bevorzugte Vorrichtungen zu dessen Anwendung erläutert werden. Als Beispiel dient das System in FIG. 1C, bestehend aus Schlitz 9 als Ursprung einer abgelösten instabilen Strömung und Keil 14 als Hindernis. Diese spezielle Auswahl bedeutet keine Einschränkung der Allgemeinheit, da das Verfahren generell so angelegt ist, dass es unabhängig von den Mechanismen, die zur Anregung spezifischer Strömungsoszillationen führen, funktioniert.Taking into account the basic properties mentioned global flow oscillations should now be based on one of the in FIG. 1 listed flow systems that Method according to the invention for damping the Flow oscillations and preferred devices too its application are explained. This serves as an example System in FIG. 1C, consisting of slot 9 as the origin a detached unstable flow and wedge 14 as Obstacle. This special selection means none Limitation of generality, since the procedure is general is designed to be independent of the mechanisms, those for the excitation of specific flow oscillations lead, works.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht aus den folgenden drei Verfahrensschritten:

  • Erfassung der globalen Strömungsoszillationen mit einem Sensorsystem;
  • Erzeugung einer kompensatorischen Oszillation in einer Ablösezone;
  • Aufbereitung der Sensorsignale und Regelung der kompensatorischen Oszillation.
The process according to the invention consists of the following three process steps:
  • Detection of global flow oscillations with a sensor system;
  • Generating a compensatory oscillation in a separation zone;
  • Processing of the sensor signals and control of the compensatory oscillation.

Eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens zeigt FIG. 2. An arrangement for executing the method is shown in FIG. Second

I. Erfassung der globalen Strömungsoszillationen mit einem Sensorsystem I. Detection of global flow oscillations with a sensor system

In FIG. 2 liegt das die Strömungsoszillation hervorrufende Hindernis, der Keil 14, symmetrisch zur Mittelsenkrechten des Schlitzes 9, der x-Achse. In diesem Beispiel ist die globale Oszillation ausgezeichnet durch Wirbel 20a.1, 20a.2,... und Wirbel 20b.x (x=1, 2,...), die jeweils um eine halbe Periode der Strömungsoszillation zeitlich versetzt entweder am Ablösepunkt 11 (y<0) oder am Ablösepunkt 12 (y>0) der abgelösten instabilen Strömung entstehen und sich, sich entgegengesetzt drehend, in x-Richtung fortbewegen. Das ist ein Beispiel für eine antisymmetrische Strömungsoszillation. Die wesentlichen Parameter, die im Hinblick auf die aktive Dämpfung der Strömungsoszillation erfasst werden, sind ihre Frequenz und ein Mass für ihre Intensität. Ferner ist nutzbringend eine Information über die Phasenlage der verschiedenen Wirbelzüge 20a.x und 20b.x (x=1, 2, ...). Letztere Phaseninformation ist allerdings nicht absolut notwendig zur Ausführung des Verfahrens.In FIG. 2 is the one causing the flow oscillation Obstacle, the wedge 14, symmetrical to the perpendicular the slot 9, the x-axis. In this example it is global oscillation characterized by vortices 20a.1, 20a.2, ... and vortex 20b.x (x = 1, 2, ...), each around half a period of flow oscillation in time offsets either at separation point 11 (y <0) or on Detachment point 12 (y> 0) of the detached unstable flow arise and, rotating in opposite directions, in the x direction move. This is an example of one antisymmetric flow oscillation. The essential Parameters with regard to the active damping of the Flow oscillations are recorded, their frequency and a measure of their intensity. One is also useful Information about the phase position of the different Vortex trains 20a.x and 20b.x (x = 1, 2, ...). Latter However, phase information is not absolutely necessary to carry out the procedure.

Bevorzugte Sensoren zur Erfassung der Frequenz und der Intensität der Strömungsoszillation sind ein Drucksensor oder ein Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit. Bevorzugte Positionen für solche Sensoren sind Punkte im strömenden Medium, an denen einerseits der Sensor selbst die Strömung nur wenig beeinflusst und nicht selbst zum Auslöser von Strömungsoszillationen wird. Andereiseits sind zur Optimierung der Sensorempfindlichkeit Punkte im Einflussbereich der Wirbel mit der grössten Ausdehnung bzw. Punkte in der Nähe des die Strömungsoszillation verursachenden Hindernisses vorteilhaft. Der Sensor kann auch im Hindernis eingebaut sein.Preferred sensors for detecting the frequency and the The intensity of the flow oscillation is a pressure sensor or a sensor for measuring the flow velocity. Preferred positions for such sensors are points in the flowing medium, on the one hand the sensor itself influenced the flow only little and not itself to the The trigger of flow oscillations. Are on the other side to optimize sensor sensitivity points in the Area of influence of the vertebrae with the greatest expansion or Points close to the flow oscillation causing obstacle advantageous. The sensor can also be built into the obstacle.

Ein alternativer Sensor zur Erfassung der Frequenz und der Intensität der Strömungsoszillation ist ein Kraftsensor, der die Kraft detektiert, die die Strömung auf das Hindernis 14 ausübt.An alternative sensor for detecting the frequency and the Intensity of flow oscillation is a force sensor, which detects the force that the flow has on the Obstacle 14 exercises.

Geeignete Sensoren sind kommerziell verfügbar: als Drucksensor eignet sich beispielsweise ein Mikrofon, als Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ein Hitzdrahtinstrument, als Kraftsensoren Dehnungsmessstreifen oder piezoeletrische oder piezoresistive Sensoren.Suitable sensors are commercially available: as Pressure sensor is suitable, for example, as a microphone Sensor for measuring the flow rate Hot wire instrument, strain gauges as force sensors or piezoelectric or piezoresistive sensors.

II. Erzeugung einer kompensatorischen Oszillation II. Generating a compensatory oscillation

FIG. 2 zeigt eine Möglichkeit für einen Generator für eine kompensatorische Oszillation in einer Ablösezone: ein kompensatorisches Strömungsfeld im Bereich der Ablösezone. Das kompensatorische Strömungsfeld entspricht einer akustischen Welle und beeinflusst die abgelöste instabile Strömung 10 unmittelbar nach der Ablösung der Strömung. Es ist idealerweise so angelegt, dass Störungen instabiler Schichten durch die mit dem kompensatorischen Strömungsfeld verbundenen Druckgradienten exakt kompensiert werden. In der Anordnung in FIG. 2 wird ein kompensatorischen Strömungsfeld approximativ zusammengesetzt mit Hilfe zweier Erregungsquellen 17 und 18, die jeweils eine Querströmung 15, 16 quer zur abgelösten Strömung 10 und längs zweier Grenzflächen 17a und 18a erzeugen, wobei die Querströmungen unabhängig voneinander in ihren Strömungsgeschwindigkeiten steuerbar sind. Die Querströmungen sind in FIG. 2 durch doppelseitige Pfeile neben den Ablösepunkten 11 und 12 angedeutet. Die Austrittsöffnungen für die Querströmungen sind so plaziert, dass jedem Ablösepunkt 11 und 12 eine Austrittsöffnung möglichst nahe kommt, ohne dass die Austrittsöffnung selbst die Strömung wesentlich beeinflusst. Wegen der Nähe der Austrittsöffnungen zu den Ablösepunkten ist die aufzuwendende Leistung für die Erzeugung der kompensatorischen Oszillation besonders gering. Die unabhängige Ansteuerbarkeit beider Erregungsquellen erlaubt es, ein Strömungsfeld zu überlagern, das bezüglich der Amplitude und der Phase längs zweier Linien steuerbar ist. Die x-Position der Grenzflächen 17a und 18a bestimmt die Breite des kompensatorischen Strömungsfeldes. Erfindungsgemäss ist es hinreichend, die Ausdehnung des kompensatorischen Strömungsfeldes auf die Ablösezone der abgelösten instabilen Strömung oder sogar einen Teilbereich der Ablösezone zu beschränken.FIG. 2 shows one possibility for a generator for one compensatory oscillation in a separation zone: on compensatory flow field in the area of the separation zone. The compensatory flow field corresponds to one acoustic wave and affects the detached unstable Flow 10 immediately after separation of the flow. It is ideally designed so that interference is more unstable Layers through with the compensatory flow field connected pressure gradients are exactly compensated. In the arrangement in FIG. 2 becomes a compensatory Flow field composed approximately with the help of two Excitation sources 17 and 18, each having a cross flow 15, 16 across the detached flow 10 and along two Generate interfaces 17a and 18a, the cross flows independently of each other in their flow velocities are controllable. The cross flows are shown in FIG. 2 through double-sided arrows next to the separation points 11 and 12 indicated. The outlet openings for the cross flows are placed so that each separation point 11 and 12 has one Exit opening comes as close as possible without the Outlet opening itself the flow essential affected. Because of the proximity of the outlet openings to the Transfer points is the work to be done Generation of compensatory oscillation in particular low. The independent controllability of both Excitation sources allow a flow field to be closed overlay that with respect to amplitude and phase two lines is controllable. The x position of the Interfaces 17a and 18a determine the width of the compensatory flow field. It is according to the invention sufficient, the expansion of the compensatory Flow field to the detachment zone of the detached unstable flow or even a portion of the Restrict separation zone.

Als Erregungsquellen 17, 18 für das kompensatorische Strömungsfeld kommen angetriebene mechanische Schwingungssysteme, z. B. ein Lautsprecher, in Frage, die ein Teil des strömenden Mediums in Richtung auf die Grenzflächen 17a und 18a bewegen. Die Grenzflächen 17a und 18a erzwingen dann zu ihnen parallel verlaufende Strömungen 15 und 16, die aus den Austrittsöffnungen zwischen den Grenzflächen 17a, 18a und den Ablösepunkten 11 und 12 austreten.As excitation sources 17, 18 for the compensatory Flow field come mechanical driven Vibration systems, e.g. B. a speaker in question, the part of the flowing medium towards the Move interfaces 17a and 18a. The interfaces 17a and 18a then force currents running parallel to them 15 and 16, which emerge from the outlet openings between the Interfaces 17a, 18a and the separation points 11 and 12 escape.

Dieses Konzept des kompensatorischen Strömungsfeldes lässt sich verallgemeinern. Einerseits muss das Strömungsfeld nicht so angelegt sein, dass es eine Strömung senkrecht zu den instabilen Schichten der abgelösten instabilen Strömung darstellt. Es genügt für die Stabilisierung einer instabilen Schicht, dass mit dem kompensatorischen Strömungsfeld eine hinreichende Komponente des Druckgradienten senkrecht zur instabilen Schicht verbunden ist. im Beispiel gemäss FIG. 2 ist die Auslegung des kompensatorischen Strömungsfeldes als Querströmung nicht die einzig mögliche Lösung; die Richtungsvorgabe quer zur Strömung bewirkt im betrachteten Beispiel lediglich eine besonders effiziente Beeinflussung der instabilen Schichten, die zumindest in der Nähe der Ablösepunkte 11 und 12 annähernd senkrecht zur Strömung 10 durch Schlitz 9 verlaufen. Eine zweite Verallgemeinerung des Konzeptes des kompensatorischen Strömungsfeldes ist, ausgehend vom Beispiel in FIG. 2, bezüglich der bevorzugten Zahl der Erregungsquellen, die zu seiner Erzeugung nötig sind, anzubringen. Im Beispiel in FIG. 2 sind 2 Erregungsquellen vorgesehen, weil es zwei sich strömungsabwärts erstreckende instabile Schichten, ausgehend von den Ablösepunkten 11 und 12, gibt und beide Schichten zur Kompensation der auftretenden antisymmetrischen globalen Strömungsoszillationen gegenphasig beeinflusst werden müssen. Die Situation wäre anders, wäre für andere Rückkopplungsverhältnisse (z. B. andere Geometrie des Hindernisses) eine symmetrische Strömungsoszillation zu dämpfen. In diesem Fall müssen die zwei Lautsprecher in Phase betrieben werden. Sowohl für symmetrische als auch antisymmetrische Strömungsoszillationen kann eine einzelne Erregungsquelle zur Erzeugung der kompensatorischen Oszillation ausreichen, um eine Dämpfung der Strömungsoszillation zu erzielen. Die maximal erreichbare Dämpfung ist in diesem Fall meist geringer. Naturgemäss hat man im Prinzip bei einer weiteren Erhöhung der Zahl der Erregungsquellen noch mehr Freiheitsgrade (Amplitude und Phase) zur Verfügung, um die Dämpfung der Strömungsoszillationen zu optimieren.This concept of the compensatory flow field leaves generalize. On the one hand, the flow field not be designed so that there is a flow perpendicular to it the unstable layers of the detached unstable flow represents. It is enough to stabilize one unstable layer that with the compensatory Flow field a sufficient component of the Pressure gradients connected perpendicular to the unstable layer is. in the example according to FIG. 2 is the interpretation of the compensatory flow field as cross flow not the only possible solution; the direction across In the example considered, flow causes only one particularly efficient influencing the unstable Layers that are at least near the separation points 11 and 12 approximately perpendicular to the flow 10 through slot 9 run. A second generalization of the concept of is compensatory flow field, starting from Example in FIG. 2, regarding the preferred number of Sources of excitation necessary for its production to install. In the example in FIG. 2 are 2 sources of excitation provided because there are two downstream unstable layers, starting from the separation points 11 and 12, there and both layers to compensate for the occurring antisymmetric global Flow oscillations can be influenced in phase opposition have to. The situation would be different, would be for others Feedback ratios (e.g. different geometry of the Obstacle) a symmetrical flow oscillation dampen. In this case, the two speakers must be in Phase operated. Both for symmetrical as well antisymmetric flow oscillations can be a single Excitation source for generating the compensatory Oscillation is sufficient to dampen the Achieve flow oscillation. The maximum achievable In this case, damping is usually lower. Has naturally in principle, with a further increase in the number of Excitation sources even more degrees of freedom (amplitude and Phase) available to attenuate the Optimize flow oscillations.

Eine effiziente Alternative zu dieser akustischen Methode zur Erzeugung einer kompensatorischen Oszillation zeigt FIG. 3. In diesem Beispiel wird die Stabilisierung einer instabilen Schicht erzielt durch eine Oszillation des entsprechenden Ablösepunktes. Diese Oszillation kann bewirkt werden durch eine mechanische Bewegung eines Elementes der Grenzfläche, von dem sich die instabile Strömung ablöst. Im Beispiel in FIG. 3 befinden sich je ein Ablösepunkt 11 und 12 der abgelösten instabilen Strömung 10 an einem Endpunkt der Begrenzungselemente 34 und 35, die ihrerseits um die Punkte 36 und 37 mittels konventioneller steuerbarer Stellglieder (nicht dargestellt) gekippt werden können. Solch eine Verkippung führt zu einer Verschiebung der Ablösepunkte senkrecht zu den Begrenzungselementen und somit zu einer seitlichen Auslenkung einer instabilen Schicht quer zur Strömung. Diese Auslenkung ist mittels der Signale des Sensorsystems so zu steuern, dass eine Störung der instabilen Schicht in der Nähe eines Ablösepunktes kompensiert wird.An efficient alternative to this acoustic method to generate a compensatory oscillation shows FIG. 3. In this example the stabilization is a unstable layer achieved by an oscillation of the corresponding separation point. This oscillation can be caused by a mechanical movement of a Element of the interface from which the unstable Current takes over. In the example in FIG. 3 are each one Detachment point 11 and 12 of the detached unstable flow 10 at an end point of the boundary elements 34 and 35, the in turn around points 36 and 37 using conventional controllable actuators (not shown) can be tilted can. Such a tilt leads to a shift the separation points perpendicular to the boundary elements and thus to a lateral deflection of an unstable one Layer across the current. This deflection is by means of Control signals of the sensor system so that a malfunction the unstable layer near a peel point is compensated.

Die Beispiele in FIG. 2 und 3 beziehen sich auf 2-dimensionale Strömungsprofile, die bezüglich einer dritten orthogonalen Richtung invariant sind, so dass instabile Schichten stets als Ebenen zu betrachten sind. Beide Beispiele lassen sich jedoch auf den 3-dimensinalen Fall mit gekrümmten instabilen Schichten verallgemeinern. Notfalls müssen einzelne Segmente der gekrümmten instabilen Schichten unabhängig voneinander stabilisiert werden.The examples in FIG. 2 and 3 refer to 2-dimensional Flow profiles related to a third orthogonal direction are invariant, so unstable Layers should always be considered as layers. Both However, examples can be found in the 3-dimensional case generalize with curved unstable layers. If necessary, individual segments of the curved unstable Layers are stabilized independently of one another.

III. Aufbereitung der Sensorsignale und Regelung der kompensatorischen Oszillation III. Processing of the sensor signals and control of the compensatory oscillation

Im folgenden wird davon ausgegangen, dass alle regelbaren Parameter zur Festlegung der kompensatorischen Oszillation, z. B. die Amplituden und Phasen der Erregungsquellen zur Erzeugung eines kompensatorischen Strömungsfeldes oder die Oszillation von Ablösungspunkten bezüglich Amplitude und Phase, mittels konventioneller Kontrollsystemen eingestellt werden können und dass alle einzustellenden Amplituden und Phasen geregelt werden mittels Signalen, die durch die im folgenden beschriebene Aufbereitung aus den oben (I) diskutierten Sensorsignalen gewonnen werden.In the following it is assumed that all controllable Parameters for determining the compensatory oscillation, z. B. the amplitudes and phases of the excitation sources Generation of a compensatory flow field or the Oscillation of separation points in terms of amplitude and Phase, set using conventional control systems and that all amplitudes and Phases are regulated by means of signals which are generated by the following described preparation from the above (I) discussed sensor signals are obtained.

Als Beispiel dient das Strömungssystem in FIG. 2. Die Amplituden und Phasen der beiden Erregungsquellen 17, 18 werden kontrolliert durch ein Signal, das aus dem Signal des Sensors 13 hervorgeht durch Frequenzfilterung und/oder Verstärkung und/oder Phasenverschiebung. Die Signale des Sensors 13 werden einem Frequenzfilter 25 zugeleitet (24). Diese Frequenzfilterung ist optional und dient lediglich der Unterdrückung von Rauschen. Das frequenzgefilterte Signal wird über eine Leitung 27 einem Verstärkerelement 29 und von dort über die Leitung 31 der Erregungsquelle 18 zugeführt. Dieses Signal bestimmt Amplitude und Phase der Erregungsquelle 31. Entsprechend wird Amplitude und Phase der Erregungsquelle 17 abgeleitet aus dem vom Frequenzfilter 25 und dem Verstärkerelement 28 modifizierten und über die Verbindungsleitungen 26, 30 vermittelten Signal des Sensors 13. Die Funktion der Verstärkerelemente 28, 29 ist es, einerseits die zugeführten Signale zu verstärken um einen (im allgemeinen frequenzabhängigen) Faktor Gi und die Phase zu verschieben um einen (im allgemeinen frequenzabhängigen) Wert Φi (i: Index für Verstärkerelement).The flow system in FIG. 2. The amplitudes and phases of the two excitation sources 17, 18 are controlled by a signal that results from the signal of the sensor 13 by frequency filtering and / or amplification and / or phase shift. The signals from sensor 13 are fed to a frequency filter 25 (24). This frequency filtering is optional and only serves to suppress noise. The frequency-filtered signal is fed via line 27 to an amplifier element 29 and from there via line 31 to excitation source 18. This signal determines the amplitude and phase of the excitation source 31. Accordingly, the amplitude and phase of the excitation source 17 is derived from the signal of the sensor 13 modified by the frequency filter 25 and the amplifier element 28 and transmitted via the connecting lines 26, 30. The function of the amplifier elements 28, 29 is it is on the one hand to amplify the supplied signals by a (generally frequency-dependent) factor G i and to shift the phase by a (generally frequency-dependent) value Φ i (i: index for amplifier element).

Dieses Beispiel kann analog verallgemeinert werden auf Systeme mit beliebig vielen Erregungsquellen oder oszillierenden Ablösepunkten. Für den Antrieb jedes unabhängig steuerbaren Elementes, das einen Beitrag zu der kompensatorischen Oszillation in der Ablösezone leistet, ist ein Verstärkerelement wie die Elemente 28, 29 und entsprechende Verbindungen zur Signalübermittlung vorzusehen.This example can be generalized analogously to Systems with any number of excitation sources or oscillating separation points. For driving everyone independently controllable element that contributes to the compensatory oscillation in the separation zone, is an amplifier element like elements 28, 29 and appropriate connections for signal transmission provided.

Zur vollständigen Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens genügt es, eine Vorschrift zur Wahl geeigneter Verstärkungen Gi und Phasen Φi für die einzelnen Verstärkerelemente anzugeben. Es genügt, das Beispiel in FIG. 2 mit 2 Verstärkerelementen zu behandeln. Weitere Verstärkerelemente können durch Anwendung der gleichen Vorschiften eingerichtet werden.For a complete description of the method according to the invention, it suffices to specify a regulation for the selection of suitable amplifications G i and phases Φ i for the individual amplifier elements. It is sufficient to use the example in FIG. 2 to be treated with 2 amplifier elements. Additional amplifier elements can be set up using the same regulations.

Das System in FIG. 2 zeigt eine antisymmetrischen Strömungsoszillation. Da die Wirbel, die von den beiden Ablösepunkten ausgehen, gegenphasig mit gleicher Intensität erzeugt werden, ist es naheliegend, für beide Verstärkerelemente die gleiche gegenphasige Verstärkung anzusetzen, d. h. G=G1=G2 und Φ1 - Φ2 = ±π, und G und Φ1 so zu wählen, dass die Strömungsoszillation um einen vorgegebenen Faktor gedämpft wird. The system in FIG. 2 shows an antisymmetric flow oscillation. Since the vortices that originate from the two separation points are generated in phase opposition with the same intensity, it is obvious to use the same phase gain for both amplifier elements, i.e. G = G1 = G2 and Φ 1 - Φ 2 = ± π, and G and Φ 1 should be selected so that the flow oscillation is damped by a predetermined factor.

Die FIG. 4A-H zeigen für eine Anordnung gemäss FIG. 2 das Frequenzspektrum des Signals des Sensors 13 mit eingeschalteter kompensatorischer Oszillation für verschiedene Verstärkungen G und verschiedene Frequenzfilter 25, einen Bandpassfilter mit maximaler Durchlässigkeit bei der Frequenz der Strömungsoszillation (FIG. 4A-D) und einen Hochpassfilter (FIG. 4E-H). Φ1 ist in allen Fällen so gewählt, dass die für Verstärkung G=0 vorhandene globale Strömungsoszillation (in diesem Beispiel bei f= 100 Hz) mit wachsender Verstärkung optimal gedämpft wird. Wie die FIG. 4A-H zeigen, wird die anfänglich vorhandene Mode bei 100 Hz für beide Filtertypen mit wachsender Verstärkung gedämpft und verschwindet für G≥1.3. Für grössere Verstärkungen findet eine Destabilisierung statt: Die Strömungsoszillation bei 100 Hz bleibt unterdrückt, dafür treten Strömungsoszillationen bei anderen Frequenzen auf, deren genauer Wert von der Wahl der Frequenzcharakteristik des Frequenzfilters 25 abhängt. In diesem Fall ist das von den Erregungsquellen 17, 18 erzeugte Strömungsfeld kompensatorisch nur in einem begrenzten Spektralbereich; ausserhalb dieses Spektralbereiches können sogar oberhalb einer systemspezifischen Grenze für die Verstärkung globale Strömungsoszillationen angeregt werden, deren Instensität mit der Verstärkung G wächst.The FIG. 4A-H show an arrangement according to FIG. 2 shows the frequency spectrum of the signal of the sensor 13 with the compensatory oscillation switched on for different gains G and different frequency filters 25, a bandpass filter with maximum permeability at the frequency of the flow oscillation (FIG. 4A-D) and a high pass filter (FIG. 4E-H). Φ 1 is selected in all cases in such a way that the global flow oscillation available for gain G = 0 (in this example at f = 100 Hz) is optimally damped with increasing gain. As the FIG. 4A-H show, the initially existing mode at 100 Hz for both filter types is attenuated with increasing gain and disappears for G≥1.3. Destabilization takes place for larger amplifications: the flow oscillation at 100 Hz remains suppressed, but flow oscillations occur at other frequencies, the exact value of which depends on the choice of the frequency characteristic of the frequency filter 25. In this case, the flow field generated by the excitation sources 17, 18 is compensatory only in a limited spectral range; Outside of this spectral range, global flow oscillations, the intensity of which increases with the gain G, can even be excited above a system-specific limit for the gain.

Dieses Beispiel ist speziell auf eine antisymmetrische Strömungsoszillation zugeschnitten. Im allgemeinen müssen in Bichmessungen die Phasen Φi unabhängig voneinander gewählt werden.This example is specially tailored for an antisymmetric flow oscillation. In general, the phases Φ i in Bich measurements must be selected independently of one another.

Die in FIG. 4 dokumentierte Destabilisierung für grössere Verstärkungen ist charakteristisch für Verstärkerelemente 29 und 28, bei denen die Phasen Φi nicht über den gesamten für die Verstärkung wirksamen Frequenzbereich kontrolliert einstellen kann. In diesem Fall sind die Phasen Φi im allgemeinen nur so justierbar, dass die Rückkopplung der Signale des Sensors 13 auf die abgelöste instabile Strömung nur innerhalb eines begrenzten Frequenzbereiches dämpfend für globale Strömungsoszillationen wirken. Ausserhalb dieses Frequenzbereiches wirkt die Rückkopplung verstärkend für Strömungsoszillationen. Diese werden dominant, wenn die Rückkopplung hinreichend stark ist, um die ohne Rückkopplung der Signale des Sensors 13 vorhandene Strömungsoszillation im Vergleich zu den verstärkten Strömungsoszillation hinreichend zu unterdrücken. Folglich hat bei dieser Art, eine kompensatorische Rückkopplung zu erzeugen, die über alle Frequenzen integrierte Intensität von globalen Strömungsoszillationen ein Minimum für bestimmte Werte für Gi >0.The in FIG. 4 documented destabilization for larger amplifications is characteristic of amplifier elements 29 and 28, in which the phases Φ i cannot be controlled in a controlled manner over the entire frequency range effective for the amplification. In this case, the phases Φ i can generally only be adjusted such that the feedback of the signals from the sensor 13 to the detached unstable flow has a damping effect on global flow oscillations only within a limited frequency range. Outside this frequency range, the feedback has a reinforcing effect for flow oscillations. These become dominant if the feedback is sufficiently strong to sufficiently suppress the flow oscillation that is present without feedback of the signals from the sensor 13 in comparison to the amplified flow oscillation. Consequently, with this type of generating compensatory feedback, the intensity of global flow oscillations integrated over all frequencies has a minimum for certain values for G i > 0.

Dass sich diese Art Rückkopplung nur innerhalb einer endlichen Frequenzbandbreite dämpfend für globale Strömungsoszillationen auswirkt, ist limitierend in Strömungssystemen, in denen sich die Strömungsgeschwindigkeit V ändert. Da sich mit einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit V auch die Frequenz der globalen Strömungsoszillation ändert, ist die Dämpfung der Strömungsoszillationen auch nur über einen endlichen Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten zu gewährleisten; bei zu grossen Abweichungen der Strömungsgeschwindigkeit wird die Rückkopplung instabil.That this type of feedback occurs only within one finite frequency bandwidth attenuating for global Flow oscillations is limiting in Flow systems in which the Flow rate V changes. Because with one Change in flow velocity V also the frequency of global flow oscillation changes is damping of the flow oscillations even over a finite one Ensure range of flow velocities; if the flow velocity deviations are too great the feedback becomes unstable.

Den genannten Instabilitätsproblemen kann abgeholfen werden durch Anpassung der Verstärkung Gi und/oder der Phasen Φi über einen breiten Frequenzbereich. Mit verstärkerelementen, für die der Frequenzgang von Gi und/oder Φi kontrolliert einstellbar ist, kann eine Optimierung der Dämpfung einer Strömungsoszillationen nach vorgegebenen Kriterien automatisiert werden. Mit konventionellen Suchstrategien können z. B. ausgehend von Gi=0 alle Parameter von Gi und/oder Φi ( z. B. maximale Werte, Frequenzverlauf) für einen vorgegebenen Frequenzbereich so gewählt werden, dass die Intensität der Strömungsoszillation minimal wird oder einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Zur Kontrolle der Optimierung dient ein Frequenzanalysator für die Sensorsignale. Zur Durchführung dieser Optimierung sind kommerziell verfügbare Verstärkerelemente geeignet. Es sind z. B. adaptive Verstärkerelemente bekannt, bei denen automatisch Verstärkung und Phase über einen vorgegebenen Frequenzbereich so verändert werden, dass ein vorgegebenes Fehlersignal minimal wird. Mit dem Signal des Sensors 13 als Fehlersignal und als zu verstärkendes Signal kann solch ein adaptives Verstärkerelement zur automatischen, dynamischen Optimierung der Dämpfung von Strömungsoszillationen benutzt werden.The aforementioned instability problems can be remedied by adapting the gain G i and / or the phases Φ i over a wide frequency range. With amplifier elements for which the frequency response of G i and / or Φ i can be adjusted in a controlled manner, an optimization of the damping of a flow oscillation can be automated according to predetermined criteria. With conventional search strategies, e.g. B. starting from G i = 0, all parameters of G i and / or Φ i (z. B. maximum values, frequency response) for a predetermined frequency range are selected so that the intensity of the flow oscillation is minimal or falls below a predetermined value. A frequency analyzer for the sensor signals is used to control the optimization. Commercially available amplifier elements are suitable for carrying out this optimization. There are e.g. B. adaptive amplifier elements are known in which the gain and phase are automatically changed over a predetermined frequency range so that a predetermined error signal is minimal. With the signal from sensor 13 as an error signal and as a signal to be amplified, such an adaptive amplifier element can be used for the automatic, dynamic optimization of the damping of flow oscillations.

Die Verbesserung der Stabilität des Regelkreises zur Erzeugung der kompensatorischen Oszillation bei Verwendung von adaptiven Verstärkerelementen im Vergleich zu konventionellen Verstärkerelementen ohne Anpassung des Frequenzganges der Verstärkung und der Phase demonstrieren die FIG. 5A-F. FIG. 5A-F zeigen experimentelle Ergebnisse für eine Anordnung gemäss FIG. 2. Verglichen werden Frequenzspektren der Signale des Sensors 13 (mit willkürlichem Nullpunkt) für ungedämpfte (gestrichelte Linien) und unter verschiedenen Bedingungen durch kompensatorische Rückkopplung gedämpfte (durchgezogene Linien) Strömungsoszillationen. In den Fällen der FIG. 5A-C wurden konventionelle Verstärkerelemente 28, 29, in den Fällen der FIG. 5D-F über den Frequenzbereich 0-500 Hz adaptive Verstärkerelemente 28, 29 verwendet. Verschiedene Figuren repräsentieren verschiedene Strömungsgeschwindigikeiten V, gemessen durch die Reynolds Zahl Re=Vh/ν (h: Breite der Strömung an den Ablösepunkten 11, 12; ν: kinematische Zähigkeit ): 1) Re= 3.9 104 (FIG. 5A, D); 2) Re= 6.7 104 (FIG. 5B, E); 3) Re= 7.9 104 (FIG. 5C, F). Die Strömungsoszillationen werden repräsentiert durch spitze Maxima über einem Rauschuntergrund, wobei ein dominantes Maximum je nach Strömungsgeschwindigkeit zwischen 50 und 150 Hz liegt. Offensichtlich führen adaptive Verstärkerelemente zu einem breitbandigen Dämpfen von Strömungsoszillationen für alle Strömungsgeschwindigkeiten, während im Falle der konventionellen Verstärkerelemente wegen der erwähnten Instabilitäten der Rückkopplung Strömungsoszillationen im Bereich oberhalb 150 Hz und in der Nachbarschaft der ohne Rückkopplung dominierenden Strömungsoszillation im Bereich 50-100 Hz angeregt werden. Abgesehen von der verbesserten Stabilität ermöglichen die adaptiven Verstärkerelemente eine stärkere Dämpfung der Strömungsoszillationen um mehr als 30 dB und eine zusätzliche Dämpfung des niederfrequenten Rauschens für Frequenzen unterhalb der Frequenzen der Strömungsoszillationen.The improvement of the stability of the control loop for generating the compensatory oscillation when using adaptive amplifier elements in comparison to conventional amplifier elements without adjusting the frequency response of the gain and the phase is shown in FIG. 5A-F. FIG. 5A-F show experimental results for an arrangement according to FIG. 2. Frequency spectra of the signals from sensor 13 (with an arbitrary zero point) are compared for undamped (dashed lines) and, under various conditions, attenuated (solid lines) by compensatory feedback (solid lines) flow oscillations. In the cases of FIG. 5A-C, conventional amplifier elements 28, 29, in the cases of FIG. 5D-F uses adaptive amplifier elements 28, 29 over the frequency range 0-500 Hz. Different figures represent different flow velocities V, measured by the Reynolds number Re = Vh / ν (h: width of the flow at the separation points 11, 12; ν: kinematic toughness): 1) Re = 3.9 10 4 (FIG. 5A, D) ; 2) Re = 6.7 10 4 (FIG. 5B, E); 3) Re = 7.9 10 4 (FIG. 5C, F). The flow oscillations are represented by peak maxima over a noise background, whereby a dominant maximum lies between 50 and 150 Hz depending on the flow speed. Obviously, adaptive amplifier elements lead to broadband damping of flow oscillations for all flow velocities, while in the case of conventional amplifier elements, flow oscillations in the range above 150 Hz and in the vicinity of the flow oscillation dominating without feedback in the range 50-100 Hz are excited due to the instabilities of the feedback mentioned. Apart from the improved stability, the adaptive amplifier elements enable a stronger damping of the flow oscillations by more than 30 dB and an additional damping of the low-frequency noise for frequencies below the frequencies of the flow oscillations.

Eine für die Effizienz des erfindungsgemässen Verfahrens aufschlussreiche Eigenschaft zeigt FIG. 6A-B, welche den Verlauf der Signale des Sensors 13 (in willkürlichen Einheiten) als Funktion der Zeit t beim Anschalten (FIG. 6A) und Abschalten (FIG. 6B) der Dämpfung unter Verwendung adaptiver Verstärkerelemente darstellt. Nach FIG. 6A findet beim Anschalten der Dämpfung innerhalb weniger Zyklen mit der Frequenz der globalen Strömungsoszillation ein Übergang statt von einem starken, periodischen Sensorsignal, entsprechend der Intensität der ungedämpften Strömungsoszillation, zu einem schwachen Rauschsignal. Umgekehrt entwickelt sich beim Abschalten der Rückkopplung der Sensorsignale aus dem schwachen Rauschsignal innerhalb weniger Zyklen mit der Frequenz der Strömungsoszillation das starke, periodische Signal der ungedämpften Strömungsoszillation zurück (FIG. 6B). Da die zur Dämpfung der Strömungsoszillation benötigte kompensatorische Oszillation durch Verstärkung aus dem Signal des Sensors 13 abgeleitet ist, ist auch die zur Dämpfung der Strömungsoszillation benötigte Leistung nicht konstant: Sie sinkt während weniger Perioden der Strömungsoszillation von einem Maximalwert am Beginn der Dämpfung ab auf eine minimale Leistung, die gerade benötigt wird, um eine neue Selbsterregung einer Strömungsoszillation zu verhindern (FIG. 6A). Dieser Effekt verbessert die Effizienz des erfindungsgemässen Verfahrens noch zusätzlich im Vergleich zu der bereits oben diskutierten Besonderheit, dass nur ein minimaler Bruchteil einer abgelösten instabilen Strömung unter Verbrauch von Leistung stabilisiert werden muss, um eine globale Strömungsoszillation und deren akustischen Begleiterscheinungen zu dämpfen.One for the efficiency of the method according to the invention revealing property shows FIG. 6A-B, which the Course of the signals from sensor 13 (in arbitrary Units) as a function of time t when switching on (FIG. 6A) and switching off (FIG. 6B) the damping using represents adaptive amplifier elements. According to FIG. 6A finds when switching on the damping within a few cycles the frequency of global flow oscillation is a transition instead of a strong, periodic sensor signal, according to the intensity of the undamped Flow oscillation, to a weak noise signal. Conversely, when the feedback is turned off of the sensor signals from the weak noise signal within fewer cycles with the frequency of the flow oscillation the strong, periodic signal of the undamped Flow oscillation back (FIG. 6B). Because of the damping the flow oscillation required compensatory Oscillation by amplification from the signal of the sensor 13 is also derived for damping the Flow oscillation does not require constant power: you decreases during fewer periods of flow oscillation a maximum value at the beginning of the damping down to one minimal power that is needed to make a new one To prevent self-excitation of a flow oscillation (FIG. 6A). This effect improves the efficiency of the method according to the invention additionally in comparison to the peculiarity already discussed above, that only one minimal fraction of a detached unstable flow must be stabilized while consuming power in order to a global flow oscillation and its acoustic To dampen side effects.

FIG. 7 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens in einem System mit einer abgelösten instabilen Strömung, in der globale Strömungsoszillationen nicht oder nicht ausschliesslich durch Hindernisse in der Strömung, sondern unter Mitwirkung von akustischen Resonanzen, die mit der abgelösten instabilen Strömung wechselwirken, angeregt werden. Das Strömungssystem in FIG. 7 besteht aus einer Strömung 10 längs einer Grenzfläche mit einer Öffnung mit einer bezogen auf die Strömungsrichtung vorderen bzw. hinteren Begrenzung 11 bzw. 41. Angrenzend an die Grenzfläche auf der der Strömung abgewandten Seite befindet sich ein zur Öffnung 11, 41 hin offener, und ansonsten durch Grenzflächen abgeschlossener Raum 40. Wegen der Öffnung ist der Raum 40 für das strömende Medium zugänglich. Weiterhin können im Bereich der Öffnung die im Raum 40 eingeschlossenen Teile des strömenden Mediums mit dem längs der Grenzfläche bewegten Teil des strömenden Mediums wechselwirken. Wegen dieser Kopplung können die vom Raum 40 umgrenzten Teile des strömenden Mediums zu akustischen Schwingungen angeregt werden, für die der Raum 40 wie ein akustischer Resonator wirkt. Die Strömung 10 löst sich an der Begrenzung 11 von einer Grenzfläche ab. Die Begrenzung 11 hat deshalb für die Strömung 10 die Funktion eines Ablösepunktes mit einer angrenzenden Ablösezone und dient als Ausgangspunkt für die Erzeugung der Wirbel einer globalen Strömungsoszillation 60. Für die Selektion einer globalen Strömung sorgen in diesem Fall zwei Mechanismen:

  • die Rückwirkung der Strömung strömungsaufwärts, ausgelöst durch die Wechselwirkung der Strömung mit der Begrenzung 41 (Hindernis);
  • die Wechselwirkung einer vom Ablösepunkt 11 ausgehenden instabilen Schicht mit einer akustischen Resonanz des Raumes 40.
FIG. 7 shows an application of the method according to the invention in a system with a detached unstable flow, in which global flow oscillations are not excited or not exclusively by obstacles in the flow, but rather with the participation of acoustic resonances which interact with the detached unstable flow. The flow system in FIG. 7 consists of a flow 10 along an interface with an opening with a front or rear boundary 11 or 41 relative to the direction of flow otherwise, space 40 closed off by interfaces. Because of the opening, space 40 is accessible to the flowing medium. Furthermore, in the area of the opening, the parts of the flowing medium enclosed in space 40 can interact with the part of the flowing medium moving along the interface. Because of this coupling, the parts of the flowing medium delimited by the space 40 can be excited to acoustic vibrations, for which the space 40 acts like an acoustic resonator. The flow 10 separates from an interface at the boundary 11. The boundary 11 therefore has the function of a separation point with an adjacent separation zone for the flow 10 and serves as the starting point for generating the eddies of a global flow oscillation 60. In this case, two mechanisms ensure the selection of a global flow:
  • the reaction of the flow upstream, triggered by the interaction of the flow with the restriction 41 (obstacle);
  • the interaction of an unstable layer starting from the separation point 11 with an acoustic resonance of the space 40.

Das Strömungssystem in FIG. 7 ist ein Modellsystem, das in vielen technischen Anwendungen Entsprechungen findet. Flugund Schwimmkörper (z. B. Flugzeuge, Raketen, Schiffe, Unterseeboote) und landgestützte Fahrzeuge wie z. B. Hochgeschwindigkeitszüge haben in ihrer Oberfläche oft Einbuchtungen, die bei schneller Fortbewegung zu Auslösern von globalen Strömungsoszillationen werden. Die Wirkung der Einbuchtungen als akustische Resonatoren führt zu besonders intensiven Strömungsoszillationen. Häufig sind solche Einbuchtungen vorgesehen als zweckmässiger Raum für die Unterbringung von Gegenständen, die normalerweise nicht direkt der Strömung ausgesetzt sein sollen, aber im Bedarfsfall mit dem strömenden Medium in Kontakt treten müssen, beispielsweise Sensoren und Messinstrumente in Flugzeugen, Waffen in Militärflugzeugen. Ein anderes Beispiel sind elektrisch getriebene Hochgeschwindigkeitszüge. Sie weisen meist in Einbuchtungen versenkbare Stromabnehmer auf, die im Fahrbetrieb Kontakt zu einer Stromleitung in der Nähe der Oberfläche des Zuges haben müssen und somit bei hoher Fahrtgeschwindigkeit einer verhältnismässig starken Strömung ausgesetzt sind. Solche Gegenstände können bei extremen Strömungsgeschwindigkeiten unakzeptablen Belastungen aufgrund der auftretenden Strömungsoszillationen bzw. der akustischen Resonanz der Einbuchtung ausgesetzt sein Für solche Probleme ist die Anwendung eines aktiven Verfahrens zur Dämpfung von Strömungsoszillationen besonders vorteilhaft, da durch passive Massnahmen wie eine besondere Formgebung der Einbuchtung die Strömungsoszillationen meist nicht verhindert werden können.The flow system in FIG. 7 is a model system which in equals many technical applications. Flugund Floats (e.g. planes, missiles, ships, Submarines) and land-based vehicles such as B. High-speed trains often have in their surface Indentations that trigger when moving quickly of global flow oscillations. The effect of Indentations as acoustic resonators lead to special intense flow oscillations. Such are common Indentations provided as a practical space for the Housing items that are not normally should be directly exposed to the current, but in If necessary, contact the flowing medium need, for example sensors and measuring instruments in Airplanes, weapons in military aircraft. Another Examples are electrically driven High-speed trains. They usually point in indentations retractable pantographs that contact while driving to a power line near the surface of the train must have and therefore one at high speed are exposed to relatively strong currents. Such Objects can with extreme flow speeds unacceptable burdens due to the occurring Flow oscillations or the acoustic resonance of the Indentation for such problems is the Use of an active damping method Flow oscillations are particularly advantageous because of passive measures such as a special shape of the Indentation the flow oscillations mostly not can be prevented.

Wie das erfindungsgemässe Verfahren in diesen Fällen vorteilhaft angewendet werden kann, zeigt das Modellsystem in FIG. 7. In der Ablösezone oder einem Teil davon wird eine kompensatorische Oszillation aufgeprägt, in diesem Beispiel eine von einem Lautsprecher 46 als Erregungsquelle generierte Querströmung 15 zwischen dem Ablösepunkt 11 und der Begrenzung 65. Zur Realisierung der für die aktive Dämpfung der Strömungsoszillationen benötigten Rückkopplung wird der Lautsprecher 46 angetrieben mit vom Regelsystem 44 geeignet frequenzgefilterten und/oder verstärkten und/oder phasenverschobenen Signalen eines Sensors 50 oder 42 zur Erfassung der Strömungsoszillationen. Bezüglich des Sensors ergeben sich im Vergleich zu den bisher diskutierten Beispielen Alternativen. Als Sensor eignet sich ein Sensor 50, der möglichst direkt die Geschwindigkeitsschwankungen oder die Druckpulsationen der generierten Wirbel 60 sondiert, z. B. einer der erwähnten Sensoren, angebracht in der Nähe der Begrenzung 41. Ferner eignet sich ein Sensor, der die mit der Strömungsoszillation 60 verbundene akustische Welle detektiert, z. B. ein Mikrofon 42 an der der öffnung zwischen den Begrenzungen 11 und 41 gegenüberliegenden Seite des Raumes 40.Like the method according to the invention in these cases can be used to advantage, shows the model system in FIG. 7. In the detachment zone or part of it a compensatory oscillation imprinted in this Example one from a speaker 46 as an excitation source generated cross flow 15 between the separation point 11 and the limit 65. To realize the for the active Damping the flow oscillations requires feedback the loudspeaker 46 is driven by the control system 44 suitable frequency filtered and / or amplified and / or phase-shifted signals from a sensor 50 or 42 for Detection of flow oscillations. Regarding the sensor result in comparison to those previously discussed Examples of alternatives. A sensor is suitable as a sensor 50, the most direct the speed fluctuations or the pressure pulsations of the generated vertebrae 60 probed, e.g. B. one of the sensors mentioned, mounted in close to the boundary 41. A sensor is also suitable, that associated with the flow oscillation 60 acoustic wave detected, e.g. B. a microphone 42 on the the opening between the boundaries 11 and 41 opposite side of room 40.

Es ist hervorzuheben, dass die akustische Abstrahlung des Lautsprechers 46 im wesentlichen in die Querströmung 15 umgesetzt wird und nicht dazu vorgesehen ist, die von der Strömungsoszillation 60 im Raum 40 angeregte akustische Schwingung zu kompensieren und so indirekt auch die Strömungsoszillation 60 zu unterdrücken. Ferner kann das Ausführungsbeispiel in FIG. 7 modifiziert werden entsprechend der verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten für die kompensatorische Oszillation, die Erfassung der globalen Strömungsoszillation, die Aufbereitung der Sensorsignale und der Regelung der kompensatorischen Oszillation entsprechend der Ausführungen in den Abschnitten I-III.It should be emphasized that the acoustic radiation of the Loudspeaker 46 essentially in the cross flow 15 is implemented and is not intended by the Flow oscillation 60 acoustic 40 excited in room 40 To compensate for vibration and so indirectly also To suppress flow oscillation 60. Furthermore, that Embodiment in FIG. 7 can be modified according to the different implementation options for the compensatory oscillation, the detection of the global flow oscillation, the preparation of the Sensor signals and the regulation of the compensatory Oscillation according to the explanations in the Sections I-III.

Claims (17)

  1. Method for damping global flow oscillations (20a.x, 20b.x, 5a-b, 6a-b, 60) in a flowing medium in the region of at least one separation zone located at an unambiguously defined position of a boundary surface (11, 12) at which an unstable flow (10) separates, wherein the global flow oscillations are detected in said method with a sensor system (13, 42, 50) disposed donwstream of the separation zone and wherein a compensatory oscillation (15, 16, 34, 35) controlled via the signals of the sensor system (28, 29, 44) is superimposed onto the flowing medium in the separation zone of the flow.
  2. Method in accordance with claim 1, characterized in that the global flow oscillation is detected at a predetermined point in the flowing medium via measurement of the pressure or of the flow speed.
  3. Method in accordance with claim 1, characterized in that the global flow oscillation is caused by influencing the separated unstable flow with an obstacle (7, 8, 14, 41) and is measured by measuring the force which the flow exerts on the obstacle.
  4. Method in accordance with one of the claims 1 to 3, characterized in that a flow field (17, 18, 46) is generated as the compensatory flow oscillation in at least one separation zone and/ or an oscillation (34, 35) of at least one separation point (11, 12) of the separated flow is excited.
  5. Method in accordance with one of the claims 1 to 4, characterized in that the global flow oscillation is measured by evaluating the signals of the sensor system (13, 42, 50) and, with the aid of this evaluation, global flow oscillations are characterized having regard to their frequency and/or intensity and/or phase.
  6. Method in accordance with one of the claims 1 to 5, characterized in that the signals of the sensor system are modified by amplification (28, 29, 44) and/or frequency filtering (25) and/or phase shifting (28, 29, 44) and in that the signals modified in this way are used for producing the compensatory oscillation.
  7. Method in accordance with claim 6, characterized in that the amplification and the phase shifting are matched with adaptive amplification elements over a prespecified frequency range in accordance with prespecified rules so that the intensity of the flow oscillation lies below a predetermined value.
  8. Method in accordance with one of the claims 1 to 7, characterized in that the separated unstable flow and/or the global flow oscillation interact with an acoustic wave.
  9. Method in accordance with claim 8, characterized in that the acoustic wave is influenced by an acoustic resonator (40).
  10. Method in accordance with one of the claims 8 to 9, characterized in that the sensor system measures the global flow oscillation by means of a sensor (42) which characterizes the acoustic wave.
  11. Apparatus for use in the method in accordance with one of the claims 1 to 10 on global flow oscillations (20a.x, 20b.x, 5a-b, 6a-b, 60) in a flowing medium in the region of at least one separation zone located at an unambiguously defined position of a boundary surface (11, 12) at which an unstable flow separates, the apparatus comprising a sensor system (13, 42, 50), a generator (17, 18, 46) and a control system (28, 29, 40)
    wherein the sensor system with which the global flow oscillations are detected is arranged downstream of the separation zone,
    wherein the generator (17, 18, 46) superimposes a compensatory oscillation (15, 16, 34, 35) on the flowing medium in the separation zone of the flow and
    wherein the control system evaluates the signals of the sensor system and controls the compensatory oscillation so that the amplitude of the global flow oscillation is damped by a predetermined factor.
  12. Apparatus in accordance with claim 11 comprising an obstacle (7, 8, 14, 41) in the separated unstable flow, with the obstacle causing the global flow oscillations.
  13. Apparatus in accordance with claim 12, characterized in that the sensor system comprises a sensor for measuring the force exerted by the flow onto the obstacle.
  14. Apparatus in accordance with one of the claims 11 to 13, characterized in that
    the compensatory oscillation is a flow field (15, 16) and the generator contains at least one excitation source (17, 18) for producing the flow field, or that
    the compensatory oscillation is an oscillation of at least one separation point (11, 12) and that mobile boundary elements (34, 35) for the separated flow are provided for exciting the oscillation of the separation points, the boundary elements defining the position of the separation points (11, 12), with the generator containing an apparatus for producing a movement of the boundary elements, the movement effecting the oscillation of the separation points.
  15. Apparatus in accordance with one of the claims 11 to 14, characterized in that the control system comprises a frequency filter (25) and/or a frequency analyser and/or an amplifier (28, 29, 44) and/or a phase shifter (28, 29, 44) for processing the signals of the sensor system.
  16. Apparatus in accordance with one of the claims 11 to 15, characterized in that the separated unstable flow occurs at a recess (40) in a boundary surface which is remote from the flowing medium.
  17. An aeronautical or amphibious body or a vehicle having an apparatus in accordance with one of the claims 11 to 16 for damping a global flow oscillation at the surface.
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