Widerstandsverminderung durch Riblet-Oberflächen

Modell einer nachgebauten Haifischhaut . Kraftwaage des Ölkanals . Widerstandsvermindernde Rillenoberfläche in Aluminium gefräst

Widerstandsvermindernde Rillenoberflächen (Riblets) bestehen aus mikroskopisch kleinen Rillen, die parallel zur Strömung ausgerichtet sind. Die Rillen müssen so dimensioniert sein, dass sie für die Strömung wie eine hydraulisch glatte Oberflächen wirken. Die widerstandsvermindernde Wirkung besteht in einer Behinderung der turbulenten Queranteile der Strömung an der Wand.

Die vom DLR entwickelten Riblet-Oberflächen können die turbulente Wandreibung um bis zu 10% vermindern.

Der Berliner Ölkanal wurde aufgebaut, um widerstandsvermindernden Rillenoberflächen (Riblets oder auch: „künstliche Haifischhaut“) zu untersuchen und zu optimieren. Die Messungen an den mikroskopisch kleinen Strukturen macht die Verwendung eines besonders genauen direkten Messverfahrens notwendig.

Der Berliner Ölkanal ermöglicht mit einer eigens entwickelten Kraftwaage genaue Messungen der Wandreibung ebener Oberflächen. Die Verwendung von Öl als strömendes Medium erlaubt die Vergrößerung der zu untersuchenden Strukturen um ca. das hundertfache im Vergleich zu Luft oder Wasser. Durch die Verwendung einer differentiell messenden Schubspannungswaage wird eine sehr hohe Messgenauigkeit erreicht. Der Kanal wird mit zwei Schiffspropellern angetrieben; es werden mittlere Geschwindigkeiten von 0,3 m/s bis 1,3 m/s erreicht. In der Messstrecke des Kanals wird eine voll ausgeprägte turbulente Kanalströmung erzeugt. Es werden Reynoldszahlen (gebildet mit der Kanalbreite von 0,25m, der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und der kinematischen Viskosität ny = 11,5*10-6 m²/s von Re = 8.000 bis 33.000 erzeugt.

Der Versuchstand bietet die Möglichkeit, Oberflächen mit technischen Rauhigkeiten auf ihre Widerstandseigenschaften hin zu untersuchen. Dies ist besonders im Hinblick auf eine mögliche Kostenreduzierung im Bereich der Schaufelfertigung für Strömungsmaschinen sowie in der Windkanalmesstechnik von Interesse, wo bei großen Strömungsgeschwindigkeiten hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität gestellt werden.

Mess-Strecke mit differentielle messender  Wandschubspannungs-Waage des Berliner Ölkanals, die blauen Pfeile symbolisieren die Strömungsrichtung

Widerstandsdaten verschiedener Riblet-Oberflächen

Untersuchungen zur Reduzierung des turbulenten Widerstands durch bewegliche Lamellen mit numerischen und experimentellen Methoden

Die Haut schnell schwimmender Haie ist mit mikroskopisch kleinen Rillen besetzt, die den turbulenten Widerstand verringern. Diese passive Methode der Strömungsbeeinflussung ist in Form von so genannten Riblets als technische Anwendungen einsetzbar, eine maximale Verminderung von 10% des Wandreibungswiderstands ist möglich.

In diesem von der DFG geförderten Projekt wird das Prinzip der Haifischhaut mit einer anderen Methode zur Strömungsbeeinflussung kombiniert. Dieser sehr wirksame Mechanismus zur Widerstandsreduzierung ist eine aktive Strömungsbeeinflussung: das Einbringen eines Querimpulses durch eine lateral oszillierende Wand. Die Kombination beider Mechanismen wird mit numerischen Simulationen (in einem Partner-Projekt am ISTA der TU Berlin) sowie mit Ölkanalexperimenten an beweglichen Rillenoberflächen untersucht. In einem ersten Schritt werden die Rippen der Riblet-Oberfläche in gezielter Weise bewegt, um Erkenntnisse über den Einfluss der unterschiedlichen Parameter wie Bewegungsfrequenz und -amplitude, Rillenhöhe und -abstand sowie dem Reynoldszahl-Einfluss zu gewinnen. Das längerfristige Ziel des Projektes ist eine rein passive Beeinflussung der Strömung. Im nächsten Schritt werden die Riblets flexibel gestaltet und durch die Struktur/Strömungswechselwirkung in Querbewegungen versetzt.

Wirbelstruktur über einer Riblet-Oberfläche, Bild aus einer PIV-Messung

Riblets auf Verdichterschaufeln

Die Fertigung hydraulisch glatter Oberflächen ist aufgrund sehr dünner Grenzschichten besonders in höheren Stufen mehrstufiger Verdichter eine sehr aufwändige Maßnahme. Teilweise ist dies durch die sehr dünnen viskosen Unterschichten in den höheren Verdichterstufen nicht mehr zu bewerkstelligen. Aus diesem Grund ist es interessant, die fertigungsbedingten Rauhigkeiten so zu gestalten, dass sie keinen rauigkeitsbedingten  Widerstand erzeugen oder im günstigsten Fall sogar den turbulenten Wandreibungswiderstand vermindern. Dies ist der Fall, wenn die fertigungsbedingten Rauhigkeiten feine, in Strömungsrichtung parallel ausgerichtete Rillen aufweisen.

Mit dem von der DFG geförderten Vorhaben werden die Grundlagen geschaffen, um mit verschiedenen Fertigungsverfahren hergestellte rillenförmige Rauhigkeiten auf ihre Widerstandseigenschaften hin zu untersuchen.

Die so geschaffenen Oberflächen werden mit in der Oberflächenmesstechnik gebräuchlichen Größen beschrieben, um sie mit optimierten Riblet-Geometrien zu vergleichen. Die experimentellen Untersuchungen wurden erst an ebenen Platten durchgeführt, um in den weiteren Projektphasen auf Verdichterschaufeln aufgebracht zu werden. Als Fertigungsverfahren wurden das Schleifen mit abgerichteten Schleifscheiben und eine Laserstrahl-Abtragverfahren verwendet. Die so erzeugten Rillen-Oberflächen werden in einem stark vergrößerten Maßstab im Berliner Ölkanal untersucht.

Das Vorhaben findet in einer fachübergreifenden Zusammenarbeit mit dem Institut für Mess- und Regelungstechnik (IMR), dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) sowie dem Institut für Strömungsmaschinen (IFS) der Universität Hannover statt

Herstellung von widerstandsvermindernden Oberflächen auf großen Strukturen