Loading AI tools
Oberflächengeometrien, da an turbulent umströmten Flächen der Reibungswiderstand senken Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Riblets sind eine Oberflächengeometrie, die eine Verminderung des Reibungswiderstands auf turbulent überströmten Oberflächen bewirken. Es handelt sich bei dieser Oberflächengeometrie um feine Rippen, die eine sehr scharfe Spitze haben. Die Längsachse der Rippen liegt dabei in Strömungsrichtung. Die Bezeichnung ist aus dem englischen Wort für Rippel entlehnt.
Derartige Riblets wurden auf den Schuppen schnell schwimmender Haie gefunden.
In der Strömungsmechanik, die ein Untergebiet der Physik darstellt, werden zwei unterschiedliche Strömungsformen unterschieden: Die laminare und die turbulente Strömung.
Die meisten Strömungen, die bei technischen Anwendungen auftreten, sind turbulent. Sie weisen in der Regel höhere Reibungsverluste auf als laminare Strömungen, was sich durch Impulstransport quer zur Hauptströmungsrichtung in der (hydrodynamischen) Grenzschicht erklären lässt. Die Strömung unmittelbar an der überströmten Oberfläche wird durch Wirbelstrukturen dominiert, die energiereiches Fluid an die Wandoberfläche transportieren und dadurch eine erhöhte Wandreibung verursachen.
Die feinen Rillen auf den Haifischschuppen (und auf der künstlichen Haifischhaut) behindern die Querbewegungen der Wirbel in der turbulenten Strömung. Auf diese Weise lässt sich die Wandreibung im Laborexperiment um bis zu 10 % vermindern, in technischen Anwendungen werden Widerstandsverminderungen um ca. 8 % erreicht.
Da die Rillen auf dieser widerstandsvermindernden Oberfläche sehr klein sind (die Rillenweite beträgt ca. 0,1 mm) sind, werden sie von der Strömung nicht als rau „wahrgenommen“. Diese Eigenschaft funktioniert jedoch nur in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich, deshalb muss die Rillenoberfläche für jede Anwendung speziell ausgelegt werden. Es kann also nicht einfach eine vorhandene Rillenfolie für eine beliebige Anwendung verwendet werden.
Um den Widerstand eines Fahrzeuges mit einer Rillenoberfläche wirksam zu vermindern, muss der Anteil der Wandreibung am Strömungswiderstand groß sein. Dieser Anteil liegt bei Rohrleitungen bei 100 %, bei Fahrzeugen wie Flugzeugen, Schiffen und U-Booten jedoch darunter. Bei Kraftfahrzeugen dominieren Turbulenzen den aerodynamischen Gesamtwiderstand.
Doch nicht nur im Transportwesen finden die mikrostrukturierte Oberflächen Anwendung, sondern auch und vor allem in der Industrie (zum Beispiel bei Turbinen oder Pumpen), in der Windkraft, bei Haushaltsgeräten oder im Sport.
Eine derartige Oberfläche wird entweder durch Aufkleben entsprechend gerippter Riblet-Folien, durch Lackierung (mit Einprägung der Struktur vor der Lackhärtung mit UV-Licht) oder durch das direkte Lasern in die Oberfläche zustande gebracht. Der luftwiderstandsmindernde Effekt ist belegt, allerdings war bisher der Aufwand zur Aufbringung der Oberflächenstruktur sehr hoch. Die Lufthansa Technik und BASF haben 2021 in Pressemitteilungen die gemeinsam zur Serienreife entwickelte kostengünstige Folie AeroSHARK vorgestellt, mit der ab 2022 die B777 Frachter von Lufthansa Cargo ausgerüstet werden.[1]
Die Nutzung kleiner Rippen wurde seit Beginn der 1980er Jahre mit dem Ziel untersucht und optimiert, den Treibstoffverbrauch von Langstreckenflugzeugen zu vermindern. Die Forschung an widerstandsvermindernden Riblet-Strukturen hat zwei Wurzeln. In Anbetracht der steigenden Ölpreise durch die Ölkrisen im letzten Jahrhundert wurden im Rahmen von US-amerikanischen Forschungsaktivitäten zur Treibstoffeinsparung durch Beeinflussung der turbulenten Reibung kleine Rillenstrukturen, den Riblets entwickelt. Gleichzeitig wurde in Deutschland durch Beobachtungen von kleinen scharfen Rillen auf Schuppen fossiler Haie Strömungsexperimente motiviert, um deren Eigenschaften zu klären.
Die Abmessungen dieser feinen, parallel zur Strömungsrichtung angeordneten Rillen hängen von der Geschwindigkeit und der Viskosität des Mediums ab. Für Verkehrsflugzeuge ergeben sich Abstände zwischen 30 µm und 100 µm.
Wegen des Potentials, vor allem in den Bereichen von Transport & Mobilität, sowie der Industrie, das Riblet-Oberflächen mit sich bringen, ist man an einer intensiven Forschung rund um deren Anwendungsbereich und stetigen Verbesserung bemüht. Einige dieser Forschungsprojekte sind Folgende:
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
