NACA-Einlauf bzw. Submerged Inlet

Diskutiere NACA-Einlauf bzw. Submerged Inlet im Luftfahrzeugtechnik u. Ausrüstung Forum im Bereich Grundlagen, Navigation u. Technik; Werte Gemeinde, im Rahmen einer Studienarbeit bin ich auf der Suche nach Infos über die Funktionsweise des sogenannten NACA-Inlets (ich meine...

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  1. #1 cancer33, 18.06.2008
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    Werte Gemeinde,

    im Rahmen einer Studienarbeit bin ich auf der Suche nach Infos über die Funktionsweise des sogenannten NACA-Inlets (ich meine sowas hier: http://members.tripod.com/~aravm98/reference/727fuse03.htm. Ich habe zwar schon Material von der NACA (jetzt NASA) aus den 40iger Jahren gefunden, aber keine Erklärung wie das Teil eigentlich funktioniert (bzw. funktionieren sollte) und warum es gute Druckrückgewinne liefert.

    Vielleicht kennt sich ja jemand hier damit aus, vielen Dank im Voraus!
     
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  3. #2 Acanthurus, 19.06.2008
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    Hi..

    zunächst ist das mal eine experimentell gewonnene Erkenntnis, dass das ganz gut funktioniert. Die Frage nach dem Warum wird dann meist hitnerher und mit weniger Erklärungsdruck gestellt. Aber mal ein paar spekulative Denkansätze für dich:

    -Aufgrund der stromab gesehen allmählichen Aufweitung des Querschnitts ist die Krümmung der Stromlinien in den Einlauf hinein recht gering, was eine "gesunde" Strömung ermöglicht

    -Die schrägen Einströmkanten bewirken möglicherweise, ähnlich wie beim Pfeilflügel, eine Art "abschwimmen" der Grenzschicht nach außen (parallel zur Kante), insbesondere weil ja auch im Einlauf sich ein höherer Druck aufbaut als außen. Auf diese Weise gelang vermutlich nur wenig langsamer "Grenzschichtmüll" in den Einlauf. Grenzschicht-Fluid hat etwa den gleichen statischen Druck, aber viel weniger Geschwindigkeit als die "gesunde" Außenströmung, wenn man es aufstaut entsteht also weniger Druckrückgewinn. Je wengiger Grenzschichtmüll, desto besser.

    -Oft sind diese Einläufe sehr weit vorne an den Rumpfkeulen angebracht, d.h. in einem Bereich, indem entlang der Keulenkontur stromab noch ein statischer Druckabfall vorliegt. Damit ist die Grenzschicht noch nicht sooo dick, es ist einfach eine "dankbare" Einbauposition

    -Möglicherweise entsteht auch eine Kantenumströmung ähnlich der eines angestellten Deltaflügels. Das erhöht den Turbulenzgrad und befördert mehr Material aus der Außenströmung außerhalb der Grenzschicht zum Einlauf hin

    -Der Einlauf hat keinen so großen Störeffekt auf die Aussenkontur wie z.B. ein stumpfer Pitoteinlauf. Insofern kann man es sich erlauben, etwas großzügiger mit der Sammelfläche umzugehen. Das erhöht zwar den Druck nicht, aber es bringt ggf. mehr Volumenstrom.

    gruß

    A.P.
     
  4. #3 cancer33, 19.06.2008
    cancer33

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    Hi,

    schonmal vielen Dank für die Erklärungen!

    In den NASA-Papern ist davon die Rede, das bei einem Geschwindigkeitsverhältnis von Va/V0=0,5 (das heißt die abgesaugte Luft hat die halbe Geschwindigkeit wie die zugeführte) das Ding am besten funktioniert. Dabei ist jedoch der zugeführte Volumenstrom größer als der, der abgeführt wird. Somit kam man auf die Idee, die Seitenwände divergent zu krümmen, um den zugeführten Volumenstrom der Austrittsgeschwindigkeit an der Absaugung anzupassen. Soweit in Ordnung.

    Was ich jedoch immer gehört habe ist, dass durch die scharfen Seitenkanten ein Wirbelsystem entsteht. Streicht die Strömung über die Seitenkanten (das sie entgegen der oberen Aufführung ja eigentlich gerade nicht tun sollte), löst sie ab und zieht aufgrund des Unterdruckes (?) mehr Luft an. Ist das der Effekt, den du mit dem Bezug zum Deltaflügel angesprochen hast?

    In den NASA-Papern wurde aber auch davon berichtet, quasi Grenzschichtzäune auf den Seitenkanten zu positionieren, damit eben der Grenzschichtmüll nicht in die Absaugung gelangt. Und somit bin ich komplett verwirrt. Soll die Strömung jetzt über die Kanten streichen oder nicht? In den CFD-Simulationen, die wir gemacht haben, ist eindeutig zu sehen dass die Strömung in einer Art Wirbel über die Kanten streicht. Frage ist jedoch, ob wir vielleicht das falsche Geschwindigkeitsverhältnis angesetzt haben.

    Was meinst du dazu?
     
  5. #4 Acanthurus, 19.06.2008
    Zuletzt bearbeitet: 19.06.2008
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    Die Form und Ausprägung Wirbelstruktur wird sehr stark vom Geschwindigkeits- bzw. Druckverhältnis abhängen.
    Da diese Einläufe aber i.d.R. schon recht ordentliche Volumenströme (und damit Geschwindigkeiten) verarbeiten sollen (d.h. sie sollen nicht nur aufstauen, sondern befördern), gehe ich schon von einer ausgeprägten Längswirbelbildung aus (das war das, was ich mit der Deltaflügel-Analogie gemeint hatte).
    Der Wirbel hat a) die Wirkung, mehr effektive "Volumensammelfläche" zu bewirken (das hast du ja geschrieben) und b) eben auch Fluid ausserhalb der Grenzschicht in den Einlauf zu holen.

    Für´s Schubladendenken:
    Diese V_iopt=0.5*V_infinity Regel findet man im übrigen als Faustregel sehr häufig in der Strömungsmechanik.

    Beispiele:
    -eine freilaufende Windturbine oder auch eine Triebwerksturbine liefert im idealisierten Fall genau DANN die Maximale Leistung, wenn sie auf die HALBE Leerlaufdrehzahl runtergewürgt wird (halbe Umfangsgeschwindigkeit)

    -Die Beruhigungswirkungwirkung im Einlauf eines Windkanals ist am besten, wenn man den Querschnitt zur Hälfte verblockt (halbe Abströmgeschwindigkeit)

    Ansonsten müsste ich mal selbst den NASA-Server bemühen und mich schlaumachen.
    hast du mal ein buntes Bild von deinen CFD-Ergebnissen?

    Folgendes CFD-Testsetup:

    1. Schritt: freie Durchströmung... am Ende des Abströmkanals dieselbe Druckrandbedingung setzen wie für die Außenströmung. Gemittelten Volumenstrom ermitteln, und daraus eine mittlere Durchströmgeschwindigkeit

    2. Schritt: Abströmung blockieren/zumachen und Totaldruck am geschlossenen Ausströmrand des Einlasses bestimmen

    3. Schritt: entweder (je nach randbedingungstyp) halbe Geschwindigkeit aus SChritt 1 oder 1/4 der Druckdifferenz aus Schritt2 als Ausströmrandbedingung festsetzen.

    Als Vergleichsgröße für unterschiedliche Situationen kannst du zum Einen den Totaldruckverlust verwenden, oder aber, was ich für sinnvoller erachte, die Strahlleistung, die durch den Einlass pfeift, also Druckdifferenz*Volumenstrom/Zeit









    gruß

    A.P.
     
  6. #5 Luftpirat, 19.06.2008
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    Ein interessantes Beispiel ist eines der wenigen Flugzeuge, bei denen der Triebwerkslufteinlass nach diesem Prinzip gestaltet war:

    Die North American F-86C/YF-93A flog 1951 im NACA-Ames Laboratory in Moffett Field/Kalifornien sowohl mit NACA-Triebwerks-Lufteinlässen (erster Prototyp Ser. No. 48-317; siehe Foto) als auch mit konventionell abgesetzten Einlässen (zweiter Prototyp), so dass sie einen guten Vergleich beider Einlasskonstruktionen erlaubt. Der geringere Druck der einströmenden Luft soll beim NACA-Einlasstyp der YF-93 vor allem bei hohen Anstellwinkeln kritisch niedrig gewesen sein.

    Ich fasse mal zusammen, wie ich es als Amateur verstehe:
    "Die Tatsache, dass die langsamere Grenzschichtluft den Staudruck herabsetzt und dass die flache Bauform auch das Volumen des Luftdurchsatzes designbedingt begrenzt, sind die wesentlichen Gründe, dass diese Einlaufform im Flugzeugbau grds. nur für sekundäre Lufteinläufe verwendet wird.

    Von diesen Nachteilen abgesehen bietet die Keilform des NACA-Einlaufs aber auch die Vorteile des geringeren Luftwiderstandes durch die versenkte Schachtführung und die flache Luftstromablenkung sowie eine geringere Tendenz zum Strömungsabriss, weil die Schachtwände eine nach innen gerichtete Wirbelwalze erzeugen, die so kontinuierlich die außerhalb der Grenzschicht liegende Luft 'einfängt'. Dieses Prinzip bietet aber nur da Vorteile gegenüber der klassischen Lufthutze, wo die Grenzschicht möglichst dünn ist, also im vorderen Bereich des Flugkörpers. Bei der YF-93 kam man dennoch nicht umhin, auch aus dem NACA-Einlauf die Grenzschichtluft abzusaugen - wenn ich den abgebildeten Einlauf richtig deute.

    Die Verbreiterung des Keils hat neben der Vergrößerung des Einlaufendquerschnitts sicherlich auch die Aufgabe, die (Grenzschicht-)Luft nicht um die Öffnung herum abwandern zu lassen, sondern um die Kanten 'herum zu zwingen', mit der Folge zweier nach innen drehender Wirbelströme, die auch diejenige Luft ansaugen, die sonst außen vorbei geflossen wäre."

    @ cancer33: Ich würde dir als Quelle die Vergleichsstudie zur YF-93 von der NACA empfehlen, aber es gab natürlich noch diverse andere Studien. Online gibt es dazu ausführliche Literaturhinweise auf der NASA-Homepage. Über diese kannst du sicherlich auch technische Prüfberichte und allerlei Originaldokumentationen anfordern. Was für eine Art 'Studienarbeit' machst du denn da eigentlich? Und für welchen (Luft-)Fahrzeugtyp untersuchst du denn diese Einlässe? Doch bestümmt nicht die Boeing 727... :D

    Gruß :)
    Luftpirat

    (Foto: North American Aviation)
     

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    Hallo

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  8. #6 cancer33, 19.06.2008
    cancer33

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    Ich bedanke mich erstmal für die Antworten.

    Nein, also in der Tat wird die Absaugung nicht an einem Flugzeug benötigt, sondern es soll untersucht werden, inwiefern sich der Einlauf für Zapfluft in einer Statorstufe eines Triebwerkes eignet. Das Projekt erfolgt in Zusammenarbeit mit einem Triebwerkshersteller, insofern weiß ich nicht wie weit ich Einzelheiten an dieser Stelle kundtun darf. Ich hoffe das hört sich nicht albern an..aber ich kann ja zumindest mal ne PN verschicken mit nem Bildchen, wenn ich heute abend dazu komme. Problem ist, dass die Strömung, dazu auch noch am Gehäuse im Triebwerk, wesentlich komplizierter aufgebaut ist als die Außenströmung eines Flugzeugs. Jedoch scheint der Einlauf an sich zu funktionieren (da ich ja jetzt davon ausgehe, dass die Wirbelbildung überhaupt zur korrekten Funktion gehört). Der Fall ist hier so, dass der Zapfluftmassenstrom vorgegeben ist, es muss also eine optimale Absauggeschwindigkeit bzw. Absaugfläche gefunden werden. (Diese Fläche ist zwar auch vorgegeben, jedoch bezweifle ich immer mehr den Sinn dieser Vorgabe).
     
  9. #7 cancer33, 19.06.2008
    Zuletzt bearbeitet: 19.06.2008
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    Tatsächlich, auf dem NASA Technical Report Server habe ich im Report "Theoretical Investigation of submerged inlets at low speeds" nun endlich das erste Mal eine Beschreibung der Wirbel gefunden. Muss ich mich jetzt gleich mal einlesen...:)
     
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