DE102005052930B4

DE102005052930B4 - Method and device for influencing the flow

Info

Publication number: DE102005052930B4
Application number: DE102005052930.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Grohmann Boris; Dr. Lorkowski Thomas; Christoph Maucher
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2025-11-04
Also published as: DE102005052930A1

Abstract

Verfahren zur Strömungsbeeinflussung mittels mehrerer gitter- oder schachbrettförmig angeordneter, unabhängig voneinander aktivierbarer Piezoelemente (14), die in einer Struktur (16) integriert sind, wobei die Piezoelemente (14) derart aktiviert werden, dass zumindest ein Teil der Oberfläche (12) der Struktur (16) in Form zumindest einer stehenden oder sich fortpflanzenden Welle bewegt wird und dass durch die Formänderung der Piezoelemente (14) aufgrund der Aktivierung zumindest ein Teil einer Oberfläche (12) der Struktur (16) derart mitbewegt wird, dass eine Strömung (u) entlang der Struktur (16) gezielt beeinflusst wird, wobei die Piezoelemente (14) mittels elektrischer Aktivierungsmittel (22, 24,26) und aufeinander abgestimmt aktiviert werden,- wobei die Aktivierungsmittel (22, 24, 26) eine mit den Piezoelementen (14) auf deren der Oberfläche (12) der Struktur abgewandten Seite verbundene, verformbare elektrische Kontaktierungsschicht (18) enthalten, die in Form eines Gitters oder Netzes ausgebildet ist, und- wobei die Piezoelemente unter der Oberfläche der Struktur eingebracht sind,- wobei die Piezoelemente benachbart nebeneinander angeordnet sind und im nicht aktivierten Zustand eine Fläche bilden.Method for influencing the flow by means of a plurality of lattice or checkerboard arranged, independently activatable piezoelectric elements (14), which are integrated in a structure (16), wherein the piezoelectric elements (14) are activated such that at least part of the surface (12) of the structure (16) is moved in the form of at least one standing or propagating wave and that due to the activation of the piezoelectric elements (14), at least part of a surface (12) of the structure (16) is moved in such a way that a flow (u) is influenced in a targeted manner along the structure (16), wherein the piezo elements (14) are activated by means of electrical activation means (22, 24, 26) and coordinated with one another, - the activation means (22, 24, 26) being activated with the piezo elements (14) on the surface facing away from the surface (12) of the structure, the deformable electrical contacting layer (18) connected in the form of a grid s or network is formed, and - wherein the piezoelectric elements are introduced below the surface of the structure, - wherein the piezoelectric elements are arranged adjacent to each other adjacent and form a surface in the non-activated state.

Description

Die Erfindung betrifft die Beeinflussung von Strömungen von Fluiden mittels an Strukturen angebrachten Aktuatoren.The invention relates to influencing flows of fluids by means of actuators attached to structures.

In Strömungen von Fluiden, beispielsweise Flüssigkeiten, Gasen oder Mehrphasenströmungen, treten verschiedenartige Phänomene auf. Beispiele dafür sind sich entlang von Strukturen oder Körpern bildende Grenzschichten, eine Strömungsablösung, wodurch Ablöseblasen hervorgerufen werden können, oder der laminar-turbulent Umschlag von Grenzschichten, die mit zunehmender Lauflänge turbulent werden. Zudem können periodische Wirbelbildungen oder transsonische Effekte auftreten.In flows of fluids, for example liquids, gases or multiphase flows, various phenomena occur. Examples include boundary layers that form structures or bodies, flow separation, which can cause separation bubbles, or the laminar-turbulent transfer of boundary layers, which become turbulent with increasing run length. In addition, periodic vortices or transonic effects may occur.

In technischen Anwendungen ist es oft wünschenswert, diese Strömungsphänomene gezielt zu beeinflussen bzw. das Auftreten dieser Phänomene zu unterdrücken. Beispielsweise soll zur Widerstandsreduktion die Grenzschicht von umströmten Körpern laminar gehalten werden. Andererseits wird eine erhöhte Turbulenz bei Anwendungen gewünscht, bei denen Mischungsvorgänge eine wesentliche Rolle spielen. Im Bereich der Aerodynamik ist ein Ziel der Strömungsbeeinflussung die Maximierung des Auftriebs von Flügeln, indem Strömungsablösungen verhindert werden.In technical applications, it is often desirable to specifically influence these flow phenomena or to suppress the occurrence of these phenomena. For example, should be kept laminar for resistance reduction, the boundary layer of bodies flow around. On the other hand, increased turbulence is desired in applications where mixing operations play a significant role. In the field of aerodynamics, a goal of flow control is to maximize the lift of wings by preventing flow separation.

Es ist bekannt, zur Strömungsbeeinflussung Aktuatoren zu verwenden, die an bzw. in der umströmten Struktur vorgesehen sind. Beispielsweise werden als Aktuatoren geometrische Vortex-Generatoren eingesetzt, mit deren geometrischer, abstehender Struktur die Wirbelbildung beeinflusst wird. Ein Nachteil dieser Vortex-Generatoren ist jedoch, dass die Struktur im Bereich des Aktuators leicht verschmutzen kann oder beschädigt werden kann und dann nicht mehr die Funktion im gewünschten Maß bzw. in der gewünschten Art erfüllt. In manchen Fällen können sogar gegenteilige Effekte hervorgerufen werden. Eine andere Art von Aktuatoren sind Aktuatoren, bei denen lokal ein Fluid stationär ausgeblasen und/oder abgesaugt wird. Für diese Aktuatoren werden jedoch verhältnismäßig hohe Flussraten, abhängig von der zu beeinflussenden Strömung, und ein hoher Leistungsbedarf benötigt. Außerdem ist die Oberfläche der Struktur durch den Aktuator beeinträchtigt und nicht mehr glatt, so dass durch den Aktuator selbst Strömungsphänomene ausgelöst werden können, auch wenn er nicht aktiv ist. Andere Arten von Aktuatoren sind sogenannte Zero Mass Flux Jets, Pneumatic/Pulsating Jets oder sogenannte Shape Control Bumps. Solche Aktuatoren sind jedoch verhältnismäßig komplex bzw. aufgrund ihrer Anfälligkeit für Verschmutzung, Verstopfung oder Beschädigung für den Einsatz in technischen Anwendungen nicht ausreichend robust.It is known to use flow control actuators, which are provided on or in the flow around structure. For example, geometric vortex generators are used as actuators, with whose geometric, protruding structure the vortex formation is influenced. A disadvantage of these vortex generators, however, is that the structure in the region of the actuator can easily become dirty or damaged and then no longer fulfills the function to the desired extent or in the desired manner. In some cases, even opposite effects may be caused. Another type of actuators are actuators in which locally a fluid is blown and / or sucked stationary. For these actuators, however, relatively high flow rates are required, depending on the flow to be influenced, and a high power requirement. In addition, the surface of the structure is affected by the actuator and no longer smooth, so that even through the actuator flow phenomena can be triggered, even if it is not active. Other types of actuators include Zero Mass Flux Jets, Pneumatic / Pulsating Jets or Shape Control Bumps. However, such actuators are relatively complex or not sufficiently robust due to their susceptibility to contamination, clogging or damage for use in technical applications.

Andererseits ist es bekannt, mit in Strukturen integrierten Piezoelementen Strukturen derart zu verformen, dass den auf die Struktur einwirkenden Kräften entgegengewirkt wird, indem die durch die einwirkenden Kräfte an der Struktur erzeugten Verformungen durch die Verformungen der Struktur, welche mittels der Piezoelemente erzielt werden, kompensiert werden.On the other hand, it is known to deform structures with piezo elements integrated into structures in such a way that the forces acting on the structure are counteracted by compensating the deformations generated by the acting forces on the structure by the deformations of the structure which are achieved by means of the piezo elements become.

Aus der DE 101 06 605 A1 ist ein als optisches Element, beispielsweise für die Halbleiterlithographie, verwendeter Spiegel bekannt. Dabei ist vorgesehen, Piezoelemente in die Struktur des Spiegels zu integrieren, so dass Schwingungen der Spiegelstruktur durch entgegengesetzt wirkende Schwingungen, welche mittels der Piezoelemente erzeugt werden, kompensiert werden. Die Schwingungen entstehen beispielsweise durch in Kühlmittelkanälen strömendes Kühlmittel, das aufgrund einer Umlenkung zumindest bereichsweise von einer laminaren in eine turbulente Strömung übergeht. Die Piezoelemente werden jedoch nicht dazu eingesetzt, die Struktur derart zu verformen, dass die Strömung im Kühlmittelkanal beeinflusst wird. Vielmehr werden die durch die Strömung hervorgerufenen Effekte, nämlich die in das Bauteil eingeleiteten Schwingungen, kompensiert.From the DE 101 06 605 A1 For example, a mirror used as an optical element, for example for semiconductor lithography, is known. It is provided to integrate piezo elements in the structure of the mirror, so that vibrations of the mirror structure by oppositely acting vibrations, which are generated by means of the piezoelectric elements, can be compensated. The oscillations arise, for example, through coolant flowing in coolant channels, which, at least in some areas, changes from a laminar flow to a turbulent flow due to a deflection. However, the piezo elements are not used to deform the structure in such a way that the flow in the coolant channel is influenced. Rather, the effects caused by the flow, namely the vibrations introduced into the component, are compensated.

Aus der DE 100 62 786 A1 ist es ebenfalls bekannt, Schwingungen durch Sensoren zu detektieren, die in ein optisches Element integriert sind, und diese durch Anregung und Aktivierung von piezoelektrischen Elementen in Abhängigkeit von den erfassten Schwingungen zu dämpfen. Dazu werden mittels eines adaptronischen Regelkreises die Piezoelemente derart aktiviert, dass in die Struktur entgegengesetzt wirkende Frequenzen zu den durch die Schwingungen eingebrachten Eigenfrequenzen eingeleitet werden bzw. eine dadurch hervorgerufene Deformation durch eine entgegengerichtete Deformation der Struktur mit Hilfe der Piezoelemente gedämpft wird.From the DE 100 62 786 A1 It is also known to detect vibrations by sensors integrated into an optical element and to damp them by excitation and activation of piezoelectric elements in response to the detected vibrations. For this purpose, the piezoelectric elements are activated by means of an adaptronic control loop in such a way that frequencies acting in the structure are introduced to the natural frequencies introduced by the vibrations or a deformation caused thereby is damped by an oppositely directed deformation of the structure with the aid of the piezoelectric elements.

Die DE 103 04 530 A1 beschreibt schließlich, wie stapelförmige d33-Piezoaktuatoren (sogenannte „Piezostacks“) auf der druckseitigen und/oder saugseitigen Deckhaut eines Tragflügels angeordnet werden, um die Form des aerodynamischen Profils an verschiedene Umgebungsbedingungen anzupassen und zu optimieren, um beispielsweise den Auftrieb zu maximieren. Die Piezoaktuatoren können gemäß der DE 103 04 530 A1 auch im Inneren der Struktur derart eingebettet sein, dass die Struktur, d.h. der Tragflügel, global formverändert wird. Diese Formänderung wirkt sich jedoch nicht lokal auf die Oberfläche des Flügels aus. Die DE 103 04 530 A1 dient somit dazu, eine globale Strukturverformung am aerodynamischen Profil, wie z.B. eine Torsion des Rotorblatts oder eine Verwölbung des Profils durch niederfrequente Beaufschlagung des Piezoelements oder der Piezoelemente hervorzurufen.The DE 103 04 530 A1 Finally, it describes how stacked d33 piezoactuators (so-called "piezostacks") are arranged on the pressure-side and / or suction-side cover skin of an airfoil in order to adapt and optimize the shape of the aerodynamic profile to different environmental conditions, for example to maximize lift. The piezo actuators can according to the DE 103 04 530 A1 also be embedded in the interior of the structure such that the structure, ie the wing, is changed in shape globally. However, this shape change does not affect locally on the surface of the wing. The DE 103 04 530 A1 thus serves to cause a global structural deformation on the aerodynamic profile, such as a torsion of the rotor blade or a warping of the profile by low-frequency loading of the piezoelectric element or the piezo elements.

Die JP H09-79220 A beschreibt ein Verfahren zur Verhinderung von Strömungsablösung mittels sich entgegen der Strömungsrichtung an einer Strömungsoberfläche, über die die Strömung strömt, ausbreitenden, wandernden Wellen. Zur Erzeugung der Wellen sind unter der Strömungsoberfläche Paare von Piezoelementen angeordnet, die phasenverschoben angeregt werden. Jeweils ein Paar ist auf einer Elektrodenplatte angeordnet. Ferner ist in der DE 197 03 766 C1 , der DE 33 16 393 C2 , der DE 32 28 939 C1 und der WO 02/103304 A2 jeweils offenbart, eine Oberfläche zur Strömungsbeeinflussung lokal mittels Piezoelementen zu verformen. The JP H09-79220 A describes a method of preventing flow separation by counterflowing a flow surface over which the flow flows, propagating traveling waves. To generate the waves, pairs of piezo elements are arranged below the flow surface, which are excited in phase. In each case a pair is arranged on an electrode plate. Furthermore, in the DE 197 03 766 C1 , of the DE 33 16 393 C2 , of the DE 32 28 939 C1 and the WO 02/103304 A2 each disclosed to locally deform a surface for influencing flow by means of piezoelectric elements.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Strömungsbeeinflussung sowie eine Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung vorzusehen, welche mechanisch robust sind, im deaktivierten Zustand keine unerwünschte Strömungsbeeinflussung hervorrufen und vielfältig einsetzbar sind.On this basis, it is an object of the invention to provide a method for influencing the flow and a device for influencing the flow, which are mechanically robust, in the deactivated state do not cause undesirable flow control and are widely used.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein aerodynamisches Profil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1, a device having the features of claim 7 and an aerodynamic profile having the features of claim 10. Preferred embodiments are given in the dependent claims.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Piezoelemente nicht ausschließlich dazu zu verwenden, eine Struktur den vorhandenen Strömungsbedingungen anzupassen oder unerwünschte, durch Beanspruchung entstehende Verformungen, zumindest teilweise zu kompensieren, sondern vielmehr die Strömung entlang der Grenzschicht zur Struktur aktiv zu beeinflussen. Dies geschieht, indem durch die Verwendung von Piezoelementen eine mit der Strömung in Berührung gelangende Oberfläche derart verformt wird, insbesondere hochfrequent verformt wird, dass die Strömung zumindest lokal umgelenkt wird und/oder ein Impulseintrag in die Strömung erfolgt, so dass diese beeinflusst wird.The invention is based on the idea not to use piezoelectric elements exclusively to adapt a structure to the existing flow conditions or to at least partially compensate for unwanted deformations resulting from stress, but rather to actively influence the flow along the boundary layer to the structure. This is done by being deformed by the use of piezoelectric elements, a surface coming into contact with the flow is deformed in particular high frequency that the flow is at least locally deflected and / or a pulse entry into the flow, so that it is influenced.

Dazu wird erfindungsgemäß zumindest ein Piezoelement derart mit einer Struktur verbunden, dass es die mit der Strömung in Berührung gelangende Oberfläche der Struktur verformen kann, wenn es betätigt wird. Unter Piezoelement soll im Sinne dieser Erfindung nicht nur Piezokeramik, beispielsweise d31-Piezostacks oder d33-Piezostacks oder Piezofasern, verstanden werden, sondern auch andere aktive Polymere bzw. elektrische Polymere, wie beispielsweise PVDF (Polyvinyldenfluorid), welche durch Einwirkung von Elektrizität, insbesondere beim Anlegen einer elektrischen Spannung, verformbar sind. Die Verformung oder Formänderung des Piezoelements wird an die zu beeinflussende Oberfläche der Struktur weitergegeben, was wiederum dazu führt, dass die Strömung lokal an der verformten Oberfläche umgelenkt wird und/oder ein Impuls in die Strömung, insbesondere bei pulsierender Bewegung der Oberfläche, eingebracht wird.For this purpose, according to the invention, at least one piezo element is connected to a structure in such a way that it can deform the surface of the structure coming into contact with the flow when it is actuated. For the purposes of this invention, the term "piezoelectric element" should be understood to mean not only piezoceramics, for example d31 piezo stacks or d33 piezo stacks or piezo fibers, but also other active polymers or electrical polymers, such as PVDF (polyvinylidene fluoride), which are exposed to electricity, in particular in the case of Applying an electrical voltage, are deformable. The deformation or change in shape of the piezo element is passed on to the surface of the structure to be influenced, which in turn leads to the fact that the flow is deflected locally on the deformed surface and / or an impulse in the flow, in particular in pulsating movement of the surface, is introduced.

Besonders bevorzugt ist es, die Struktur zumindest lokal hochfrequent, d.h. mit einer Frequenz von einigen 100 Hz bis einigen Kilohertz, zu verformen, indem beispielsweise lokale Beulen, Dellen oder Wellen in die Oberfläche der Struktur eingebracht werden. Die Verformung kann zweidimensional oder dreidimensional in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung sein. Als zweidimensional wird eine Verformung bezeichnet, bei der zu einem gleichen Zeitpunkt senkrecht zu einer Oberflächenrichtung der Struktur genommene, zueinander parallele Querschnitte durch die verformte Oberfläche ein identisches Verformungsprofil aufweisen. Als dreidimensional werden Verformungen bezeichnet, bei denen sich diese Verformungsprofile unterscheiden können.It is particularly preferred that the structure is at least locally high frequency, i. with a frequency of a few hundred Hz to several kilohertz, for example, by introducing local bulges, dents or waves into the surface of the structure. The deformation may be two-dimensional or three-dimensional depending on the desired application. A two-dimensional designation is a deformation in which mutually parallel cross-sections through the deformed surface taken at a same time perpendicular to a surface direction of the structure have an identical deformation profile. Deformations are defined as three-dimensional, in which these deformation profiles can differ.

Da die Piezoelemente unter eine glatte, passive Oberfläche einer Struktur eingebracht werden können, die sich bei Verformung der Piezoelemente mitbewegt, bleibt die Oberfläche geschlossen und glatt, trotz der Möglichkeit der aktiven Strömungsbeeinflussung. Dies bietet den Vorteil, dass keine Erosion oder kein Verstopfen von Bohrungen auftritt und im deaktivierten Zustand keine Störung der Strömung durch das nicht aktivierte Piezoelement vorliegt. Die Struktur kann beispielsweise ein Faserverbundwerkstoff sein, in die Piezoelemente eingebettet bzw. integriert sind.Since the piezoelectric elements can be introduced under a smooth, passive surface of a structure, which moves with deformation of the piezoelectric elements, the surface remains closed and smooth, despite the possibility of active flow control. This offers the advantage that no erosion or clogging of holes occurs and in the deactivated state there is no disturbance of the flow through the non-activated piezo element. The structure may be, for example, a fiber composite material in which piezo elements are embedded or integrated.

Somit kann der Aktuator mit dem Piezoelement multifunktional eingesetzt werden, d.h. einerseits für eine quasi-statische, langsame Ansteuerung zur lokalen Formkontrolle der Struktur, beispielsweise der aerodynamischen Oberfläche, wodurch eine Beeinflussung der wandnahen Strömung, insbesondere der Grenzschicht, möglich ist und beispielsweise die Stoß-/Grenzschicht-Wechselwirkung oder ein transsonischer Stoß kontrolliert werden können.Thus, the actuator can be used with the piezoelectric element multifunctional, i. on the one hand for a quasi-static, slow control for the local shape control of the structure, for example the aerodynamic surface, whereby influencing the near-wall flow, in particular the boundary layer is possible and, for example, the impact / boundary layer interaction or a transonic collision can be controlled.

Gleichzeitig kann mit dem selben Aktuator bei hochfrequenter Anregung eine stehende oder sich fortpflanzende bzw. wandernde zwei- oder dreidimensionale Welle erzeugt werden, die nach Bedarf in Strömungsrichtung, quer oder schräg dazu verlaufen kann und in der Frequenz an die Strömung angepasst sein kann. Dabei soll der Begriff „in Strömungsrichtung“ auch eine Ausbreitung entgegen dieser Richtung beinhalten. Bei der Anwendung zusammen mit aerodynamischen Profilen können dadurch für unterschiedliche Flugphasen unterschiedliche Wellenarten erzeugt werden. Als Beispiel sei die gezielte Beeinflussung von aerodynamischen 3D-Moden genannt.At the same time with the same actuator at high-frequency excitation, a standing or propagating or migrating two- or three-dimensional wave can be generated, which can run in the flow direction, transverse or oblique as needed and can be adapted in frequency to the flow. The term "in the flow direction" should also include a propagation against this direction. When used together with aerodynamic profiles, different types of waves can be generated for different phases of flight. An example of this is the targeted influencing of aerodynamic 3D modes.

Die Strömungsbeeinflussung erfolgt mit der Strömungsdynamik, insbesondere der Aerodynamik bei beispielsweise aerodynamischen Profilen, entsprechenden Mitteln, da die Lasten auf die Strömung als Drucklasten aufgebracht werden bzw. der Impuls in die Strömung durch Wandbewegung eingetragen wird. Somit kann direkt auf Instabilitäten der Umströmung eingewirkt werden, beispielsweise auf konvektive Instabilitäten. The flow is influenced by the flow dynamics, in particular the aerodynamics in, for example, aerodynamic profiles, corresponding means, since the loads are applied to the flow as pressure loads or the impulse is entered into the flow by wall movement. Thus it can be acted directly on instabilities of the flow around, for example, convective instabilities.

Aufgrund der Tatsache, dass keine Strukturen vorstehen oder Bohrungen bzw. Schlitze vorgesehen werden müssen, aber vorgesehen sein können, ist die Struktur mechanisch sehr robust und unempfindlich. Die elektrische Leistungsversorgung erfolgt kompakt vom Inneren der Struktur her, indem unter einer passiven, durch den Piezoaktuator mitbewegten Oberfläche der Piezoaktuator und wiederum darunter eine elektrische Kontaktierungsschicht in Form eines Gitters oder Netzes angebracht werden. Somit kann die Leistungsversorgung und somit die Aktivierung stabil und durch einfache Verdrahtung erzielt werden und ist beispielsweise auch in bewegten Bauteilen, wie z.B. im drehenden Rotor von Helikoptern, einfach zu realisieren.Due to the fact that no structures protrude or holes or slots must be provided, but can be provided, the structure is mechanically very robust and insensitive. The electrical power supply takes place compactly from the interior of the structure, by mounting the piezoactuator under a passive surface moved by the piezoactuator and, in turn, an electrical contacting layer in the form of a grid or mesh. Thus, the power supply and hence the activation can be achieved stably and by simple wiring, and is also useful, for example, in moving parts, e.g. in the rotating rotor of helicopters, easy to implement.

Erfindungsgemäß sind mehrere, getrennt voneinander ansteuerbare und aktivierbare und in ihrer Lage aufeinander abgestimmte Piezoelemente vorgesehen, die gitter-, schachbrett- oder „patchwork“-förmig angeordnet und aufeinander abgestimmt betätigbar sind. Die Piezoelemente sind im nicht aktivierten Zustand eine Fläche bildend, benachbart nebeneinander angeordnet, wobei die gebildete Fläche auch gekrümmt sein kann. Durch eine derartige Anordnung kann eine wandernde Welle, auch eine wandernde schräge Welle bzw. eine wandernde sich teilende Welle realisiert werden. Außerdem kann eine stehende Welle nach Bedarf erzeugt werden.According to the invention, a plurality of separately controllable and activatable and in their position matched piezo elements are provided which are grid-shaped, checkered or "patchwork" -shaped and actuated in a coordinated manner. The piezoelectric elements are in the non-activated state forming a surface adjacent to each other, wherein the surface formed can also be curved. By such an arrangement, a traveling wave, even a wandering oblique wave or a wandering dividing wave can be realized. In addition, a standing wave can be generated as needed.

Vorzugsweise werden die Piezoelemente zu einer quasi-statischen, langsamen Formänderung und/oder einer hochfrequenten Formänderung angesteuert. Dies bietet eine Flexibilität im Hinblick auf die Verwendung des Piezoelements und eine genaue Strömungsbeeinflussung.Preferably, the piezoelectric elements are driven to a quasi-static, slow change in shape and / or a high-frequency change in shape. This provides flexibility in terms of the use of the piezo element and accurate flow control.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine sich fortpflanzende Welle in Strömungsrichtung auf der Oberfläche der Struktur oder quer zur Strömungsrichtung bzw. schräg zur Strömungsrichtung erzeugt. Die Frequenz der Wellenfortpflanzung ist ebenfalls durch die gezielte Ansteuerung der Piezoelemente vorzugsweise einstellbar.According to another preferred embodiment, a propagating wave is generated in the flow direction on the surface of the structure or transversely to the flow direction or obliquely to the flow direction. The frequency of the wave propagation is also preferably adjustable by the targeted control of the piezoelectric elements.

Weiter bevorzugt werden die Piezoelemente oder die Anordnung aus Piezoelementen in Abhängigkeit von Daten, die durch einen Strömungssensor oder mehrere Strömungssensoren erfasst werden und in einer Regelungseinheit ausgewertet werden, aktiviert. Damit kann unmittelbar auf die jeweils aktuelle Strömung reagiert werden, so dass beispielsweise die Strömung laminar gehalten werden kann oder an einem einstellbaren Punkt ein laminar-turbulent Umschlag erfolgt.More preferably, the piezoelectric elements or the arrangement of piezoelectric elements in response to data that are detected by a flow sensor or a plurality of flow sensors and are evaluated in a control unit, activated. In this way, it is possible to react directly to the respective current, so that, for example, the flow can be kept laminar, or a laminar-turbulent turnover takes place at an adjustable point.

Zur getrennten Ansteuerung von mehreren Piezoelementen wird vorzugsweise eine Multiplex-Einheit vorgesehen, mit welcher eine separate, jedoch aufeinander abgestimmte Ansteuerung der Piezoelemente möglich ist.For separate control of a plurality of piezoelectric elements, a multiplex unit is preferably provided, with which a separate, but coordinated control of the piezoelectric elements is possible.

Bevorzugt kommt die Erfindung in aerodynamischen Profilen zum Einsatz. Darüber hinaus ist beispielsweise auch ein Einsatz im Triebwerkseinlauf oder in Rohrströmungen möglich.Preferably, the invention is used in aerodynamic profiles. In addition, for example, use in the engine intake or in pipe flows is possible.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:

1 in einer Querschnittsansicht den schematischen Aufbau eines Piezoaktuators zeigt;
2 ein Beispiel für die Regelung und Energieversorgung des Aktuators aus 1 schematisch zeigt;
3 in einer Unteransicht eine Anordnung aus mehreren Piezoelementen gezeigt ist, wobei eine elektrische Kontaktierungsschicht durch Pfeile schematisch angedeutet ist;
4 eine Anordnung mit einem Piezoelement in Strömungsrichtung in einer Seitenquerschnittsansicht zeigt;
5 Aktivierungsmöglichkeiten für eine Struktur, die zwei Piezoaktuatoren in Strömungsrichtung hintereinander aufweist, darstellt;
6 eine Anordnung aus drei in Strömungsrichtung hintereinander angebrachten Piezoaktuatoren zeigt;
7 eine alternative Anordnung zeigt, wenn zwei Piezoaktuatoren in Strömungsrichtung hintereinander angebracht sind;
8 eine alternative Anordnung zeigt, wenn drei Piezoaktuatoren in Strömungsrichtung hintereinander angebracht sind;
9 eine Grundform der Aktivierung in Form einer sich fortpflanzenden Welle veranschaulicht;
10 eine weitere Grundform der Aktivierung in Form einer stehenden Welle bei einer Anordnung mit mehr als einem Piezoaktuator zeigt;
11 eine Aktivierungsform für die Piezoaktuatoren zeigt, wenn mehrere Piezoaktuatoren in Strömungsrichtung und quer zur Strömungsrichtung als Anordnung angeordnet sind;
12 eine weitere Aktivierungsmöglichkeit zeigt, wenn mehrere Piezoelemente schachbrettförmig in Strömungsrichtung und quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind; und
13 weitere verschiedene Aktivierungsmöglichkeiten zeigt, wenn mehrere Piezoelemente in Form einer Schachbrett-Anordnung verwendet werden.

The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

1 in a cross-sectional view shows the schematic structure of a piezoelectric actuator;
2 an example of the control and power supply of the actuator 1 schematically shows;
3 an arrangement of a plurality of piezoelectric elements is shown in a bottom view, wherein an electrical contacting layer is indicated schematically by arrows;
4 shows an arrangement with a piezoelectric element in the flow direction in a side cross-sectional view;
5 Activation options for a structure having two piezo actuators in the flow direction one behind the other, represents;
6 shows an arrangement of three in the flow direction successively mounted piezoactuators;
7 an alternative arrangement shows when two piezo actuators are mounted one behind the other in the flow direction;
8th an alternative arrangement shows when three piezo actuators are mounted one behind the other in the flow direction;
9 illustrates a basic form of activation in the form of a propagating wave;
10 Figure 12 shows another basic form of standing wave activation in an arrangement with more than one piezoactuator;
11 shows an activation form for the piezo actuators, when a plurality of piezo actuators are arranged in the flow direction and transverse to the flow direction as an arrangement;
12 shows a further activation possibility when a plurality of piezo elements are arranged in a checkerboard shape in the flow direction and transverse to the flow direction; and
13 shows more different activation options when multiple piezo elements are used in the form of a checkerboard arrangement.

1 zeigt schematisch eine Anordnung, die zur Strömungsbeeinflussung geeignet ist. Die Anordnung weist eine Oberfläche 12 oder Deckhaut einer Struktur 16 auf, wobei auf der der Strömung u_inf abgewandten Seite der Deckhaut 12 zumindest entlang eines Teils der Deckhaut ein Piezoelement 14 angebracht ist. Als Piezoelement kommt dabei neben herkömmlichen Piezokeramiken, wie beispielsweise d31- oder d33-Stacks oder Piezofasern, auch ein aktives Polymer oder ein elektrisches Polymer in Betracht. Ein Beispiel dafür ist PVDF. Das Piezoelement 14 ist ein Element, das bei elektrischer Spannungsbeaufschlagung seine Form verändert. 1 schematically shows an arrangement which is suitable for flow control. The arrangement has a surface 12 or covering skin of a structure 16 on, on the side of the cover skin 12 facing away from the flow u _inf, at least along a part of the covering skin, a piezoelectric element 14 is appropriate. In addition to conventional piezoceramics, such as, for example, d31 or d33 stacks or piezo fibers, an active polymer or an electric polymer is also suitable as the piezoelement. An example of this is PVDF. The piezo element 14 is an element that changes its shape when electrical voltage is applied.

Die Deckhaut 12 ist eine passive Oberfläche, die zumindest derart flexibel ist, dass sie der Verformung des Piezoelements 14 folgt und sich dieser anpasst (multimorpher Bieger). Die Deckhaut 12 kann z.B. aus einem anisotropen Faserverbundmaterial, aus Aluminium oder Titan bestehen. Wenn das Piezoelement 14 sich aufgrund der elektrischen Spannungsbeaufschlagung verformt, wird somit die Oberfläche 12 mit verformt (z.B. verbogen). Die passive Oberfläche oder Deckhaut 12 ist an mehreren Lagerstellen 16' mit dem Rest der Struktur verbunden, so dass sie in dem Verbindungsbereich mit den Lagerstellen 16' nicht verformbar ist und somit relativ zur Struktur festgelegt ist. Das Piezoelement 14 kann sich auch bis zu den Lagerstellen 16' erstrecken bzw. diese zumindest teilweise bedecken, was nachfolgend jedoch nicht dargestellt ist. Auf der der Deckhaut 12 abgewandten Seite des Piezoelements 14 ist eine elektrische Kontaktierungsschicht 18 angebracht, über die das Piezoelement 14 kontaktiert wird. Die elektrische Kontaktierungsschicht 18 kann beispielsweise als flexible Schicht oder als Verdrahtung ausgeführt sein, und wird beispielsweise mittels bekannter Dampfabscheidungsverfahren oder mittels Siebdruck aufgetragen. Selbstverständlich kann zusätzlich eine weitere Kontaktierungsschicht (nicht dargestellt) auf der der Deckhaut 12 zugewandten Seite des Piezoelements 14 vorgesehen sein, beispielsweise zur Beaufschlagung des Piezoelements 14 mit unterschiedlicher Polarität.The cover skin 12 is a passive surface, which is at least so flexible that it is the deformation of the piezoelectric element 14 follows and adapts to it (multimorphic bender). The cover skin 12 may for example consist of an anisotropic fiber composite material, aluminum or titanium. If the piezo element 14 deformed due to the electrical voltage applied, thus the surface 12 with deformed (eg bent). The passive surface or covering skin 12 is at several storage locations 16 ' connected to the rest of the structure so that it is not deformable in the connection region with the bearings 16 'and is thus fixed relative to the structure. The piezo element 14 can also be up to the bearings 16 ' extend or at least partially cover, which is not shown below. On the cover skin 12 opposite side of the piezoelectric element 14 is an electrical contacting layer 18 attached, over which the piezoelectric element 14 will be contacted. The electrical contacting layer 18 For example, it may be embodied as a flexible layer or as a wiring, and is applied, for example, by means of known vapor deposition methods or by screen printing. Of course, in addition, a further contacting layer (not shown) on the cover skin 12 facing side of the piezoelectric element 14 be provided, for example, to act on the piezoelectric element 14 with different polarity.

Nach Bedarf, insbesondere um die Anordnung im Bereich der beweglichen Oberfläche mechanisch robuster zu gestalten, bzw. um die Kontaktierungs- oder Verdrahtungsschicht 18 zu schützen, kann zusätzlich eine weitere Schicht 20 nach Bedarf im Anschluss an die Verdrahtungsschicht vorgesehen werden. Diese Schicht 20 kann sich nach Bedarf aus mehreren Schichten, gegebenenfalls mit unterschiedlicher Funktionalität, zusammensetzen. Die Schicht 20 besteht typischerweise aus Gasfaserverbundmaterial. Analog kann auch zwischen der Deckhaut 12 und einer der Deckhaut 12 zugewandten Kontaktierungsschicht, falls diese vorhanden ist, eine Isolationsschicht z.B. aus Glasfaserverbundmaterial (nicht dargestellt) vorgesehen sein.As required, in particular to make the arrangement in the area of the movable surface mechanically more robust, or around the contacting or wiring layer 18 In addition, another layer can be protected 20 be provided as needed following the wiring layer. This layer 20 can be composed of several layers as needed, optionally with different functionality. The layer 20 typically consists of gas fiber composite material. Analog can also be between the cover skin 12 and one of the cover skin 12 facing contacting layer, if it is present, an insulation layer, for example made of fiberglass composite material (not shown) may be provided.

Wenn das Piezoelement 14 nicht aktiviert ist, ist der Bereich der Deckhaut 12, der verformbar, insbesondere biegbar und gegebenenfalls dehnbar ist, nicht von demjenigen Oberflächenbereich der Struktur 16 zu unterscheiden, der nicht biegbar ist, da das Piezoelement 14 und die zugehörige elektrische Kontaktierung unter der gemeinsamen Deckhaut 12 angebracht sind und somit zur Oberfläche hin nicht sichtbar sind. Dies bedeutet, dass die Oberfläche, entlang derer die Strömung u_inf strömt, glatt und ungestört ist, unabhängig davon, ob der Piezoaktuator aktiviert oder deaktiviert ist. Gleichzeitig kann unmittelbar lokal auf die Strömung eingewirkt werden, da die Oberfläche 12 in denjenigen Teilbereichen der Struktur 16 verformbar ist, in denen im Betrieb des jeweiligen Elements eine Strömungsbeeinflussung wünschenswert oder notwendig ist.If the piezo element 14 is not activated, is the area of the cover skin 12 which is deformable, in particular bendable and optionally stretchable, not from that surface area of the structure 16 to distinguish, which is not bendable, since the piezoelectric element 14 and the associated electrical contact under the common cover skin 12 are attached and thus are not visible to the surface. This means that the surface along which the flow _inf flows is smooth and undisturbed, regardless of whether the piezoactuator is activated or deactivated. At the same time, the flow can be acted upon directly locally, because the surface 12 in those parts of the structure 16 is deformable, in which a flow influencing is desirable or necessary during operation of the respective element.

2 zeigt die Anordnung des Piezoelements 14 in der Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung, wobei zusätzlich Mittel zur elektrischen Aktivierung schematisch dargestellt sind. Die zusätzliche Schutz- oder Verstärkungsschicht 20 ist aus Klarheitsgründen in 2 und den folgenden Figuren nicht dargestellt. Der durch die Kontaktierungsschicht 18 elektrisch kontaktierte Piezoaktuator 14 wird über die Energieversorgung 22 (typischerweise eine Spannungsquelle), unter Zwischenschaltung eines Mehrkanalverstärkers 24 und einer Multiplexereinheit 26, mit Spannung beaufschlagt. Mit der Multiplexeinheit 26 ist es möglich, eine wiederholt konfigurierbare Zuordnung der Verstärkerkanäle zu bestimmten ausgewählten Gruppen von Aktuatoren vorzusehen, was insbesondere dann wünschenswert ist, wenn die Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung mehrere Piezoelemente 14 enthält, die als Anordnung vorgesehen sind, beispielsweise in Form eines Gitters, eines Schachbrett- oder „Patchwork“-Musters aus mehreren Piezoelementen in Strömungsrichtung und quer dazu, die unabhängig voneinander aktiviert werden können. 2 shows the arrangement of the piezoelectric element 14 in the device for influencing the flow, wherein in addition means for electrical activation are shown schematically. The additional protective or reinforcing layer 20 is in for clarity 2 and the following figures are not shown. The through the contacting layer 18 electrically contacted piezoactuator 14 is about the power supply 22 (typically a voltage source), with the interposition of a multi-channel amplifier 24 and a multiplexer unit 26, supplied with voltage. With the multiplex unit 26 It is possible to provide a repeatedly configurable assignment of the amplifier channels to certain selected groups of actuators, which is particularly desirable when the device for influencing the flow of a plurality of piezoelectric elements 14 contains, which are provided as an arrangement, for example in the form of a grid, a checkerboard or "patchwork" pattern of multiple piezoelectric elements in the flow direction and across, which can be activated independently.

Wie es in 2 dargestellt ist, wird es bevorzugt, dass mittels eines Reglers 28, an den von Strömungssensoren 30 erfasste Messwerte zugeführt werden und von dem diese ausgewertet werden, die Aktivierung der Piezoelemente 14 in Abhängigkeit von dem durch die Strömungssensoren 30 erfassten Strömungszustand durchgeführt wird. Damit kann unmittelbar auf die aktuell vorliegenden Strömungsbedingungen reagiert werden, damit die Strömung gezielt beeinflusst werden kann.As it is in 2 is shown, it is preferred that by means of a regulator 28 , to those of flow sensors 30 recorded measured values are supplied and from which they are evaluated, the activation of the piezo elements 14 depending on the flow sensors 30 detected flow condition is performed. This can directly affect the currently available Flow conditions are reacted so that the flow can be selectively influenced.

Aus 3 ist eine Unteransicht auf die Deckhaut 12 einer Struktur 16 erkennbar. Auf der Deckhaut 12 sind auf der der Strömung abgewandten Seite eine Vielzahl von Piezoelementen 14 angeordnet, hier in Form eines Schachbrettmusters. Aufgrund der elektrischen gitterförmigen Kontaktierungsschicht 18, was in 3 durch Pfeile angedeutet ist, ist es möglich, die Aktuatoren in Strömungsrichtung und quer dazu unabhängig voneinander anzusteuern und somit zweidimensionale Wellen, d.h. Wellen, die sich in einer Richtung fortpflanzen, oder dreidimensionale Wellen, die sich unabhängig voneinander beispielsweise schräg fortpflanzen, zu erzeugen.Out 3 is a bottom view of the cover skin 12 a structure 16 recognizable. On the cover skin 12 are on the side facing away from the flow a plurality of piezo elements 14 arranged, here in the form of a checkerboard pattern. Due to the electrical grid-shaped contacting layer 18 , what in 3 is indicated by arrows, it is possible to independently control the actuators in the flow direction and transverse to each other and thus to generate two-dimensional waves, ie waves that propagate in one direction or three-dimensional waves that propagate independently, for example obliquely.

Grundsätzlich ist die Anzahl der Piezoelemente 14 in Strömungsrichtung und quer dazu nicht eingeschränkt. Auch ihre Lage zueinander ist frei wählbar. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn eine Reihe aus mehreren nebeneinander angeordneten Piezoelementen, beispielsweise quer zur Strömungsrichtung und/oder in Strömungsrichtung, verwendet wird, wobei die einzelnen Elemente bzw. Aktuatoren unabhängig voneinander ansteuerbar sind.Basically, the number of piezo elements 14 not restricted in the direction of flow and transversely thereto. Their position to each other is arbitrary. However, it is particularly preferred if a row of a plurality of juxtaposed piezoelectric elements, for example transversely to the flow direction and / or in the flow direction, is used, wherein the individual elements or actuators are independently controllable.

Mit Strömungsrichtung wird dabei stets die Hauptströmungsrichtung, beispielsweise die freie, ungestörte Anströmung eines Tragflügels, bezeichnet.With flow direction is always the main flow direction, for example, the free, undisturbed flow of a wing referred to.

In 4 bis 8 sind verschiedene Grundmöglichkeiten des Aktivierens der Piezoelemente 14 gezeigt. In allen Figuren sind die elektrische Kontaktierungsschicht sowie eine zusätzliche Verstärkungsschicht ebenso wie die elektrischen Aktivierungsmittel aus Einfachheitsgründen nicht dargestellt.In 4 to 8th are several basic ways of activating the piezo elements 14 shown. In all figures, the electrical contacting layer and an additional reinforcing layer as well as the electrical activating means are not shown for the sake of simplicity.

Ferner ist mit einem Pfeil Z die Auslenkungsrichtung der Piezoaktuatoren oder Piezoelemente 14 bezeichnet. Mit durchgezogenen Linien ist ein erster Auslenkungszustand angegeben, während mit gestrichelten Linien jeweils ein zweiter Auslenkungszustand dargestellt ist.Furthermore, with an arrow Z, the deflection direction of the piezo actuators or piezo elements 14 designated. With solid lines, a first deflection state is indicated, while with dashed lines in each case a second deflection state is shown.

4 zeigt eine Anordnung, bei der ein Piezoaktuator in die Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung gemäß 2 integriert ist, oder bei der eine Reihe von Piezoaktuatoren mit Piezoelementen 14 vorgesehen ist, wobei die Piezoaktuatoren in einer Reihe liegen, die sich in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene aus 4 erstreckt. Die Piezoaktuatoren einer Anordnung können bei allen Ausführungsformen aus mehreren zueinander gleichen oder verschiedenen Aktuatoren, z.B. im Hinblick auf Form oder Art, bestehen. 4 shows an arrangement in which a piezoelectric actuator in the flow control device according to 2 integrated, or in which a series of piezo actuators with piezo elements 14 is provided, wherein the piezoactuators are in a row, extending in the direction perpendicular to the plane of the drawing 4 extends. The piezo actuators of an arrangement can in all embodiments consist of a plurality of mutually identical or different actuators, for example with regard to shape or type.

Entlang der Strömungsrichtung, die mit u_inf angegeben ist, ist in 4 jedoch nur ein Piezoaktuator zwischen zwei Lagerstellen 16' der Struktur 16 oder dem Anschluss an Strukturbereiche mit nicht auslenkbarer Oberfläche vorgesehen. Abhängig von der Aktivierung des Piezoelements 14 und der damit einhergehenden Mitbewegung der Deckhaut 12 können beispielsweise Beulen, wie sie in 4 gezeigt sind, auf der Oberfläche der Struktur erzeugt werden. Insbesondere werden damit lokale Verformungen erreicht. Die Aktivierung der Piezoelemente 14 kann, wie bei allen anderen Ausführungsformen vorzugsweise hochfrequent, d.h. im Bereich von einigen 100 Hz bis zu einigen Kilohertz, erfolgen, so dass die in 4 gezeigten Zustände mit durchgezogenen Linien und gestrichelten Linien sich rasch abwechseln.Along the flow direction, which is indicated by u _inf , is in 4 but only a piezo actuator between two bearings 16 ' the structure 16 or the connection to structural areas with non-deflectable surface provided. Depending on the activation of the piezo element 14 and the concomitant movement of the cover skin 12 For example, bumps like those in 4 shown are generated on the surface of the structure. In particular, this local deformations are achieved. The activation of the piezo elements 14 can, as in all other embodiments preferably high frequency, ie in the range of a few 100 Hz up to a few kilohertz, take place, so that in 4 shown states with solid lines and dashed lines alternate rapidly.

Durch die hochfrequente Aktivierung sind hohe Normalgeschwindigkeiten, d.h. Geschwindigkeiten senkrecht zur Strömungsrichtung, und ein damit einhergehender hoher Impulseintrag realisierbar. Nach Bedarf können dabei zusätzlich Resonanzfrequenzen ausgenutzt werden.Due to the high frequency activation, high normal velocities, i. Speeds perpendicular to the flow direction, and an associated high pulse input feasible. If necessary, additional resonance frequencies can be exploited.

5 zeigt für eine Anordnung aus zwei in Strömungsrichtung hintereinander vorgesehenen Piezoelementen 14 verschiedene Aktivierungsmöglichkeiten. Neben der Möglichkeit, zwischen den zwei Lagerstellen 16' der Struktur 16 bzw. Übergängen an die nicht verformbare Struktur 16 eine Welle (beispielsweise Sinuswelle) durch konträre Aktivierung der Piezoelemente 14 zu erzeugen, können die Piezoelemente auch in gleicher Richtung aktiviert werden, wie es im unteren Bereich von 5 dargestellt ist. Somit ist es möglich, unterschiedliche Wellenlängen bereits bei einer Anordnung aus zwei in Strömungsrichtung hintereinander geschalteten Piezoelementen 14 zu erzeugen. Sind mehrere Piezoelemente 14 in einer anderen Oberflächenrichtung als der Richtung der Hauptströmung vorgesehen, so sind im Prinzip die gleichen Anregungsformen, wie sie für die verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, möglich. Die voranstehende Beschreibung gilt selbstverständlich analog für eine Anordnung aus zwei quer zur Strömungsrichtung hintereinander vorgesehenen Piezoelementen 14. 5 shows for an arrangement of two consecutively provided in the flow direction of piezoelectric elements 14 different activation options. In addition to the possibility between the two storage locations 16 ' the structure 16 or transitions to the non-deformable structure 16 a wave (for example sine wave) by contrast activation of the piezo elements 14 To generate the piezo elements can also be activated in the same direction as it is in the lower part of 5 is shown. Thus, it is possible, different wavelengths already in an arrangement of two in the flow direction behind the other piezo elements 14 to create. Are several piezo elements 14 provided in a surface direction other than the direction of the main flow, in principle the same excitation forms as described for the various embodiments are possible. Of course, the above description applies analogously to an arrangement of two piezo elements arranged one behind the other transversely to the flow direction 14 ,

6 zeigt eine Anordnung aus in Strömungsrichtung drei oder drei Reihen von Piezoelementen 14 zwischen den Lagerstellen 16' der Struktur. In der dargestellten Ausführungsform werden diese alternierend aktiviert, so dass sich eine Wellenform ergibt. Eine gleichgerichtete Aktivierung bzw. eine Aktivierung des mittleren Piezoelements 14 allein mit der Folge der Erzeugung von unterschiedlichen Wellenstrukturen sind ebenfalls möglich. Grundsätzlich müssen bei mehreren Piezoelementen 14 zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht alle Piezoelemente 14 gleichzeitig aktiviert werden, sondern vielmehr nur diejenigen, die zur Beeinflussung der aktuell vorliegenden Strömungssituation erforderlich sind. Da die Piezoelemente 14 unter der passiven, multimorphen, biegbaren Deckhaut 12 liegen, tritt im nicht aktivierten Zustand der Piezos 14 keine Strömungsbeeinflussung auf. Auch die Beschreibung von 6 ist auf eine Anordnung aus quer zur Strömungsrichtung angeordneten Piezoelementen 14 in analoger Weise übertragbar. 6 shows an arrangement of three or three rows of piezoelectric elements in the flow direction 14 between the bearings 16 ' the structure. In the illustrated embodiment, these are activated alternately, resulting in a waveform. A rectified activation or activation of the central piezoelectric element 14 only with the consequence of generating different wave structures are also possible. Basically, several piezo elements must be used 14 not all piezo elements at a given time 14 be activated simultaneously, but rather only those that are required to influence the currently present flow situation. Because the piezo elements 14 under the passive, multimorph, bendable cover skin 12 lie, occurs in the non-activated state of the piezos 14 no flow influence on. Also the description of 6 is on an arrangement of transversely to the flow direction arranged piezo elements 14 transferable in an analogous manner.

Alternative Anordnungen für zwei bzw. drei einzelne Piezoelemente 14 oder Reihen von Piezoelementen sind in 7 und 8 beispielhaft für ihre Anordnung in Strömungsrichtung gezeigt. Anders als bei der Ausführungsform gemäß 5 und 6 ist eine Stütze 17 zwischen zwei aneinandergrenzenden Piezoelementen 14 eingebracht. Dies trägt zur mechanischen Festigkeit bei. Die optionale Stütze 17 kann dabei so gestaltet sein, dass die Deckhaut 12 nur in einem bestimmten Aktivierungszustand der Piezoelemente durch die Stütze 17 abgestützt wird. Wenn verhältnismäßig große bewegbare Teiloberflächen vorhanden sind, kann es auch vorteilhaft sein, die zusätzlichen Stützen so vorzusehen, dass die Deckhaut 12 in jedem Aktivierungszustand abgestützt wird.Alternative arrangements for two or three individual piezo elements 14 or rows of piezo elements are in 7 and 8th shown by way of example for their arrangement in the flow direction. Unlike the embodiment according to 5 and 6 is a prop 17 between two adjoining piezo elements 14 brought in. This contributes to the mechanical strength. The optional support 17 can be designed so that the cover skin 12 only in a certain activation state of the piezoelectric elements by the support 17 is supported. If relatively large movable sub-surfaces are present, it may also be advantageous to provide the additional supports so that the cover skin 12 is supported in each activation state.

Nachfolgend werden Möglichkeiten des zeitlichen Verlaufs der Aktivierung erläutert.The possibilities of timing the activation are explained below.

In 9 und 10 sind mit unterschiedlicher Kontur Auslenkungsmodi für die Oberfläche, die durch Aktivierung der Piezoelemente erfolgt, zu drei verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. 9 zeigt dabei den Fall, bei dem die Piezoelemente, die nicht speziell dargestellt sind, derart aktiviert werden, dass sich eine in X-Richtung in 9 fortpflanzende Welle ergibt. Zu einem ersten Zeitpunkt ist eine Auslenkung der Oberfläche vorhanden, wie sie mit t1 dargestellt ist, die anschließend an den Zeitpunkt t1 zurückgeht und in eine andere Auslenkung zum Zeitpunkt t2 und schließlich zum Zeitpunkt t3 übergeht. Grundsätzlich ist es möglich, zu bestimmten Zeitpunkten nur bestimmte Piezoelemente zu aktivieren und damit einen bestimmten Oberflächenteil auszulenken, um z.B. eine sich fortpflanzende Welle zu erzeugen. Die Richtung der Fortpflanzung kann in Strömungsrichtung, quer zur Strömungsrichtung oder schräg dazu sein.In 9 and 10 are shown with different contour deflection modes for the surface, which is done by activation of the piezo elements, at three different times. 9 shows the case in which the piezoelectric elements, which are not specifically shown, are activated in such a way that a in X-direction in 9 reproducing wave. At a first point in time, there is a deflection of the surface, as represented by t1, which subsequently goes back to the time t1 and changes into another deflection at the time t2 and finally at the time t3. In principle, it is possible to activate at certain times only certain piezoelectric elements and thus to deflect a certain surface part, for example, to generate a propagating wave. The direction of propagation may be in the flow direction, transverse to the flow direction or oblique.

10 zeigt eine alternative zeitliche Auslenkungsform, bei der eine stehende Welle in X-Richtung erzeugt wird. Die Welle bleibt somit ortsfest zu verschiedenen Zeitpunkten und verändert sich nur in der Höhe der Auslenkung in Z-Richtung. Es sind wiederum die Wellenformen zu drei verschiedenen Zeitpunkten t1, t2, t3 angegeben. 10 shows an alternative temporal displacement form in which a standing wave is generated in the X direction. The shaft thus remains stationary at different times and only changes in the amount of deflection in the Z direction. Again, the waveforms are given at three different times t1, t2, t3.

11 zeigt schließlich eine Möglichkeit, bei der eine sich fortpflanzende zweidimensionale Welle erzeugt wird. Zweidimensional bedeutet, dass neben einer Auslenkung der Welle (Amplitude) in Z-Richtung eine Fortpflanzungsrichtung, bei dem in 11 gezeigten Beispiel die Hauptströmungsrichtung, gegeben ist, während quer zur Hauptströmungsrichtung die Piezos, die für die Auslenkung der Oberfläche vorhanden sind, synchron aktiviert werden. Dies führt bei einer schachbrettförmigen Anordnung von Piezoelementen, wie es in 11 dargestellt ist, dazu, dass sich ein Wellenband entlang der Strömungsrichtung, quer dazu oder unter beliebigen Winkeln zur Strömungsrichtung bewegt. In 11 sind die Wellenformen zu zwei Zeitpunkten t1, t2 schematisch angedeutet. 11 finally, shows a possibility in which a propagating two-dimensional wave is generated. Two-dimensional means that in addition to a deflection of the wave (amplitude) in the Z-direction, a propagation direction in which in 11 As shown in the example, the main flow direction is given, while the piezoelectric elements, which are available for the deflection of the surface, are activated synchronously transversely to the main flow direction. This leads to a checkered arrangement of piezoelectric elements, as in 11 is shown, that a waveband moves along the flow direction, transverse thereto or at any angle to the flow direction. In 11 the waveforms at two times t1, t2 are indicated schematically.

Alternativ ist auch eine dreidimensionale Aktivierung möglich, was zu der in 12 beispielhaft dargestellten Erzeugung von sich schräg fortpflanzenden und sich verändernden Wellen oder schräg laufenden Wellen führt. Dabei werden die Piezoelemente 14 der Anordnung unabhängig voneinander, jedoch aufeinander abgestimmt, aktiviert, so dass Wellenformen erzeugt werden, die sich schräg zur Hauptströmungsrichtung u_inf fortpflanzen. Wie aus 12 erkennbar ist, in der die Fortpflanzungsrichtung durch Pfeile F angegeben ist, kann sich eine Welle dabei auch aufspalten, so dass z.B. aus einem Wellenberg zum Zeitpunkt t1 zu einem späteren Zeitpunkt t2 zwei Wellenberge resultieren.Alternatively, a three-dimensional activation is possible, resulting in the in 12 By way of example, generation of obliquely propagating and changing waves or diagonally running waves results. In the process, the piezo elements become 14 the arrangement independently, but coordinated, activated, so that waveforms are generated, which propagate obliquely to the main _flow direction u _inf . How out 12 can be seen, in which the direction of propagation is indicated by arrows F, a wave can also split, so that, for example, result from a wave crest at time t1 at a later time t2 two wave peaks.

13 zeigt beispielhaft weitere Anregungsformen zu bestimmten Zeitpunkten, die mit einer gitterförmigen, schachbrettförmigen oder „patchwork“-förmigen Anordnung von Piezoelementen erzielbar sind. 13 shows by way of example other forms of excitation at specific times, which can be achieved with a grid-shaped, checkered or "patchwork" -shaped arrangement of piezoelectric elements.

Die erwähnten Anregungen können durch hochfrequente Ansteuerung ausgelöst werden, so dass eine hochfrequente aerodynamische Störung erzeugt wird, welche beispielsweise zur Grenzschichtbeeinflussung (Laminar-Turbulent-Übergang) oder zur Beeinflussung der laminaren oder turbulenten Ablösung, insbesondere des Orts der Ablösung, herangezogen werden kann. Die Strömung wird dabei durch die an der Wand vorhandenen Normalgeschwindigkeit durch die Bewegung der Wand sowie einen Impuls- und Energieeintrag in die Grenzschicht und gegebenenfalls das Fernströmungsfeld durch die Bewegung der Wand, entlang derer die Strömung strömt, beeinflusst. Ob Impuls und Energie nur in die Grenzschicht oder auch in das Fernströmungsfeld eingetragen werden, wird durch Wahl der Amplitude, der Form und der Frequenz der Ansteuerung der Oberfläche bestimmt.The aforementioned suggestions can be triggered by high-frequency control, so that a high-frequency aerodynamic disturbance is generated, which can be used, for example, to influence the boundary layer (laminar-turbulent transition) or to influence the laminar or turbulent separation, in particular the location of the separation. The flow is thereby influenced by the normal velocity on the wall due to the movement of the wall as well as an input of momentum and energy into the boundary layer and possibly the remote flow field by the movement of the wall along which the flow flows. Whether momentum and energy are entered only in the boundary layer or in the far-flow field is determined by selecting the amplitude, the shape and the frequency of the control of the surface.

Neben der hochfrequenten Ansteuerung können gleiche Formveränderungen, wie sie oben diskutiert worden, auch durch eine quasi-statische Ansteuerung, d.h. eine verhältnismäßig langsame Ansteuerung, zur lokalen Formkontrolle der aerodynamischen Oberfläche genutzt werden. Durch eine solche quasi-statische Ansteuerung steht weniger der Impuls- und Energieeintrag in die Strömung sowie die Beeinflussung der Strömung durch eine Normalgeschwindigkeit an der Wand im Vordergrund als vielmehr die Beeinflussung der Strömung durch Erzeugen von Oberflächengeometrien (z.B. Dellen oder Beulen), wodurch beispielsweise die Ausbildung der Grenzschicht, die Stoßgrenzschichtwechselwirkung oder die transsonische Stoßsteuerung mitbestimmt werden.In addition to the high-frequency driving, the same shape changes as discussed above can also be achieved by quasi-static driving, i. a relatively slow drive, be used for local shape control of the aerodynamic surface. By such a quasi-static control is less the impulse and energy input into the flow as well as influencing the flow through a normal speed on the wall in the foreground as much as influencing the flow by generating surface geometries (eg dents or bumps), whereby, for example, the Formation of the boundary layer, the impact boundary layer interaction or the transonic collision control are co-determined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Anordnungarrangement
1212: Oberfläche, DeckhautSurface, cover skin
1414: Piezoelementpiezo element
1616: Strukturstructure
16'16 ': Lagerstelledepository
1717: Stützesupport
1818: Kontaktierungsschicht, VerdrahtungsschichtContacting layer, wiring layer
2020: Schichtlayer
2222: Energieversorgungpower supply
2424: MehrkanalverstärkerMulti-channel amplifier
2626: Multiplexeinheitmultiplex unit
2828: Reglerregulator
3030: Strömungssensorflow sensor

Claims

Method for influencing the flow by means of a plurality of lattice or checkerboard arranged, independently activatable piezoelectric elements (14), which are integrated in a structure (16), wherein the piezoelectric elements (14) are activated such that at least part of the surface (12) of the structure (16) in the form of at least one standing or propagating wave is moved and that due to the change in shape of the piezoelectric elements (14) due to the activation at least a part of a surface (12) of the structure (16) is moved so that a flow (u _inf ) is influenced in a targeted manner along the structure (16), wherein the piezo elements (14) are activated by means of electrical activation means (22, 24, 26) and coordinated with each other, - wherein the activating means (22, 24, 26) are connected to the piezo elements (14 ) on the surface facing away from the surface (12) of the structure, containing deformable electrical contacting layer (18) in the form of a Grid or network is formed, and - wherein the piezoelectric elements are introduced below the surface of the structure, - wherein the piezoelectric elements are arranged adjacent to each other and form a surface in the non-activated state.

Method according to Claim 1 , characterized in that the piezo elements (14) are driven to a quasi-static shape change.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the piezo elements (14) are driven to a high-frequency change in shape.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one propagating 2D wave is generated on the surface (12) of the structure (16).

Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that at least one propagating 3D-wave is generated on the surface (12) of the structure (16).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric elements (14) are activated as a function of data detected by flow sensors (30) and evaluated in a control unit (28).

Device (10) for influencing the flow, comprising a plurality of grid or checkerboard, independently activatable on a passive, deformable surface (12) of a structure (16) mounted piezoelectric elements (14) on the flow (u _inf ) facing away from the surface (12) are connected to this in such a way that at least a part of the surface (12) is moved with a change in shape of the piezo elements (14), and electrical activation means (22, 24, 26, 18) for activating the piezo elements (14) to the targeted Deformation of the surface for influencing the flow, - wherein the piezoelectric elements (14) by means of the electrical activation means (22, 24, 26) are activated coordinated with each other, - wherein the activating means (22, 24, 26) one with the piezo elements (14) on the Contain surface (12) of the structure facing away from the deformable electrical contacting layer (18) connected in the form of a grid or network det, and - wherein the piezoelectric elements are introduced below the surface of the structure, wherein the piezoelectric elements are arranged adjacent to each other and form a surface in the non-activated state.

Device (10) according to Claim 7 , characterized in that a plurality of piezo elements (14) are provided as an array of piezo elements and the activating means comprise a multiplex unit (26) for driving the arrangement of piezo elements (14).

Device (10) according to one of Claims 7 to 8th , characterized in that the Activation means (22, 24, 26, 18) are controlled by a control unit (28) which receives data from at least one flow sensor (30) and activates the piezo elements (14) in dependence on the received flow data.

Aerodynamic profile with a device (10) according to one of Claims 7 to 9 ,