Forschung im HLRN-Verbund 2011

118Hai-Schuppen verbessern, um Energie zu sparenUntersuchungen zur Reduzierung des turbulenten Widerstands durchwellenförmige LamellenF. Kramer, E. Wassen, F. Thiele, Institutfür Strömungsmechanik und Technische Akustik,Technische Universität BerlinKurzgefasst• Die Struktur der Haifischhaut reduziert denStrömungswiderstand. Aktuelle technische Anwendungendieses Prinzips erreichen zwischen5 und 10%.• Eine wellenförmige Gestaltung der Oberflächenstrukturverbessert die Effektivität.• Die Wellenform soll optimiert werden, um die Widerstandsreduktionzu vergrößern.• Der Energieverbrauch soll gesenkt und die wirtschaftlicheAttraktivität erhöht werden.• Zur numerischen Untersuchung ist nur die DirekteNumerische Simulationen geeignet.Der durch die Strömung verursachte Widerstandeines Körpers oder Geräts setzt sich im Allgemeinenaus zwei Anteilen zusammen, dem Druckunddem Reibungswiderstand. Bei modernen Verkehrsflugzeugenträgt z.B. die Wandreibung bis zu50% zum Gesamtwiderstand und somit zum Energieverbrauchbei. Bei langen Rohrleitungen wiePipelines ist die Wandreibung für nahezu 100%des Widerstands und des Energieverbrauchs verantwortlich.Da nahezu alle technisch relevantenStrömungen turbulent sind, kann eine signifikanteVerringerung der Verluste durch Wandreibung turbulenterStrömungen große Auswirkungen auf denEnergieverbrauch und somit u.a. auf den Ausstoßklimaschädlicher Abgase haben.Es ist seit langem bekannt, dass die Oberflächenstrukturder Haut schnell schwimmenderHaie einen widerstandsreduzierenden Effekthat. Die Haut ist mit U-förmigen Rillen versehen,die in Längsrichtung - also in Hauptströmungsrichtung- ausgerichtet sind. Durch dieseOberflächenstruktur werden Querbewegungender Strömung behindert, die durch wandnahe,für turbulente Strömungen typische Wirbelverursacht werden. Infolgedessen werdendie Wirbel geschwächt und somit der ständigeStrömungsaustausch mit der Hauptströmung reduziert.Letzterer ist verantwortlich für den Transportvon Fluid mit höherer Geschwindigkeit zurWand hin, was zu einem erhöhten Reibungswiderstandeiner turbulenten gegenüber einer laminarenStrömung führt. Die Schwächung der wandnahenWirbelstrukturen durch die Rillen hat dahereine Verringerung des Widerstands zur Folge.Dieses Prinzip der Haifischhaut wurde in derVergangenheit in Laborversuchen sowie in praktischenAnwendungen in Form so genannter Riblet-Oberflächen in die Technik übertragen. In Laborversuchenkonnte dabei eine Reduzierung derWandschubspannung um bis zu 10% erzielt werden.Die maximale Widerstandsreduzierung kannjedoch nur erreicht werden, wenn die Anströmungin Richtung der Orientierung der Riblets erfolgt. BeiFehlanströmwinkeln von mehr als 15° nimmt derEffekt stark ab und ab 25°werden zusätzliche Verlusteund somit ein höherer Widerstand erzeugt.Eine ganz anderer Mechanismus erreicht durchaktive Querbewegungen einer glatten Wand eineVerringerung des Widerstandes um bis zu 50%. Dadie aktive Bewegung viel Energie benötigt, ist dieseTechnik für sich stehend zur Zeit nicht geeignet,um tatsächlich verwendet zu werden.Es ist das Ziel des Projektes, die Vorteile derRillenoberfläche und der aktiven Querbewegunggezielt auszunutzen und dadurch zu einem praktikablen,passiv arbeitenden Ansatz zu gelangen,der eine deutlich höhere Widerstandsreduzierungerzielt als konventionelle Rillenoberflächen. Diessoll mithilfe von in Strömungsrichtung wellenförmiggestalteten Rillen geschehen, wie sie auch aufdem Bild auf der nächsten Seite dargestellt sind.Da die wandnahe Strömung dieser Wellenstrukturfolgt, werden ihr auf passive Weise alternierendeQuerbewegungen aufgeprägt, ähnlich wie beider aktiv bewegten Wand. Es ist bisher nicht bekannt,welche Wellenform und welcher Parameterbereichfür die Wellenlänge und die Amplitudebesonders effektiv den Widerstand verringern.Dies soll in diesem Projekt systematisch untersuchtwerden. Der Querschnitt der Riblets ist dabeitrapezförmig und auf dem Bild im unteren Bereichgut zu sehen. Zusätzlich zu den Wellenparameternist die Sensitivität gegenüber Queranströmungein für die Anwendung wesentlicherPunkt, da nicht immer eine perfekt ausgerichteteAnströmung gewährleistet werden kann. Es ist zuerwarten, dass die Wellenform einen geringerenAbfall der Wirksamkeit aufweisen wird als geradeRillen, da der lokale Anströmungswinkel von vornhereinnicht konstant ist.Für die Simulationen müssen die vorhandenenturbulenten Strukturen der Strömung zeitlich undräumlich vollständig aufgelöst werden, da geradeim riblet- und wandnahen Bereich der Ein-Ingenieurwissenschaften