Abstract
<p>Vor dem Hintergrund steigender Betriebskosten in allen Sektoren bei gleichzeitiger Zielsetzung, die CO2-Emissionen zu reduzieren, bleibt es das Hauptziel, die Energieeffizienz technischer Anlagen und Systeme kontinuierlich zu steigern. Hierfür müssen zukünftig alle bekannten Maßnahmen synergetisch ausgeschöpft werden. Eine passive Methode zur Reduzierung der Reibungsverluste überströmter oder auch durchströmter Komponenten besteht in der Applikation von Längsrillen, die den Schuppen schnell schwimmender Haie nachempfunden sind, sogenannter Riblet-Strukturen. Für den effektiven Transfer dieser Technologie auf technisch relevante Anwendungen bedarf es Herstellungsverfahren, die eine Adaption der geometrischen Abmessungen der Riblet-Strukturen sowie ihrer Ausrichtung an die lokal vorherrschenden Strömungsphänomene zulassen. Der Nachweis einer erhöhten Widerstandsreduktion durch die Applikation sogenannter kontinuierlich adaptierter Riblet-Strukturen gegenüber den bisweilen eingesetzten Riblet-Strukturen mit konstanten Abmessungen ist Zielsetzung dieser Arbeit. Auf Grundlage numerischer Strömungssimulationen glatter Referenzprofile werden aufbauend auf den zahlreich vorhandenen Ergebnissen zur Riblet-Applikation auf ebenen Platten optimal dimensionierte Riblet-Strukturen mit konstanten und kontinuierlich adaptierten Abmessungen ausgelegt. Die Oberflächenstrukturierung der Prüfkörper erfolgt durch das Laserinstitut der Hochschule Mittweida mittels der Hochrate-Laserstrukturierung. Das Verfahren ermöglicht erstmals die Applikation von Riblet-Strukturen in industrie-relevanten Skalen, deren Abmessungen kontinuierlich an die lokal vorherrschenden Strömungsphänomene angepasst sind. Zur Bewertung der aerodynamischen Wirksamkeit entsprechender Strukturen werden Nachlaufuntersuchungen in einem für diesen Zweck modifizierten Windkanal Göttinger Bauart durchgeführt. Die Ergebnisse am einseitig und beidseitig strukturierten Trägerprofil NACA0012 belegen das erhöhte widerstandsmindernde Potential kontinuierlich adaptierter Riblet-Strukturen im Vergleich zu Riblet-Strukturen mit konstanten Abmessungen. Die höchste Widerstandsbeiwertreduktion in der Größenordnung von Δcd/cd0 ≈ -7% wird bei beidseitiger Applikation kontinuierlich adaptierter Riblet-Strukturen erzielt. Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen wurde ein Prognosewerkzeug entwickelt, das erlaubt, den Einfluss konstanter und kontinuierlich adaptierter, idealer und nicht-idealer Riblet-Strukturen unter variierenden Strömungsbedingungen systematisch zu untersuchen. Dabei wird die integrale Widerstandsbeeinflussung infolge der viskosen Reibungsreduktion vorhergesagt. Durch einen Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen können Aussagen zur Riblet-induzierten Minderung der Druckverluste abgeleitet werden. Die Ergebnisse zur Riblet-Applikation geben darüber Aufschluss, dass ein wesentlicher Anteil der Gesamtwiderstandsreduktion der Minderung der Druckverluste zuzuschreiben ist. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen wesentlichen Beitrag, um ein weiterführendes Verständnis zum Wirkmechanismus Riblet-strukturierter Oberflächen zu gewinnen und den Transfer der Riblet-Technologie in den industriellen Einsatz zu beschleunigen. Basierend auf den Ergebnissen können zukünftig sinnvolle Strukturierungsstrategien abgeleitet werden.</p>