-
Die Erfindung betrifft eine Riblet-Struktur auf einer Oberfläche, die regelmäßig in einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid überströmt wird, sowie ein Bauteil, insbesondere eines Flugzeugs, mit einer entsprechenden Riblet-Struktur.
-
Riblet-Strukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei entsprechenden Riblet-Strukturen handelt es sich um Mikrostrukturierungen von Oberflächen, um den Reibungswiderstand für entlang der Oberfläche strömenden Fluids - die sog. Wandreibung - zu reduzieren. Entsprechende Strukturen sind grundsätzlich für solche Anwendungen interessant, bei denen die Wandreibung einen nicht unerheblichen Anteil an dem strömungsbedingten Gesamtwiderstand ausmacht. So finden sich Riblet-Strukturen bspw. auf Außenflächen von Flugzeugen, aber auch auf Rotorblättern von Windenergieanlagen, an der Außenhaut von Schiffen oder auf Außenflächen von Hochgeschwindigkeitszügen.
-
In der
JP 2011-185410 A ist eine Riblet-Struktur beschrieben, die auf der Außenfläche eines Flugzeugs angeordnet ist. Die Riblet-Struktur ist an die übliche Umströmung des Flugzeuges während des Fluges angepasst und umfasst grundsätzlich in die lokale Hauptströmungsrichtung verlaufende langgestreckte, gegenüber der Außenwand hervorstehende Erhöhungen, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Erhöhungen in Hauptströmungsrichtung periodisch variiert. Die Erhöhungen können bspw. in einer Ebene parallel zur Außenwand des Flugzeuges eine Wellen- oder Zick-Zack-Form aufweisen.
-
Durch entsprechende Riblet-Strukturen lassen sich die Wandreibung und damit auch der Gesamtluftwiderstand des Flugzeuges im Flug reduzieren, was u.a. zu geringeren Treibstoffkosten führt. Es ist grundsätzlich wünschenswert, die Wandreibung noch weiter zu reduzieren, um bspw. den Treibstoffverbrauch eines Flugzeuges weiter zu senken. Für andere Anwendungen von Riblet-Strukturen gilt vergleichbares.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Riblet-Struktur sowie ein Bauteil mit einer entsprechenden verbesserten Riblet-Struktur zu schaffen.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Riblet-Struktur gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Bauteil gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10.
-
Demnach betrifft die Erfindung eine Riblet-Struktur auf einer Oberfläche, die regelmäßig in einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid überströmt wird, umfassend eine Topographie aus auf einer Basisfläche angeordneten Erhebungen, deren gegenseitiger Abstand und Höhe jeweils kleiner als 1 mm ist, wobei die Basisfläche in der Hauptströmungsrichtung mehrere alternierende Niveauänderungen aufweist.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einer regelmäßig in einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid überströmten Oberfläche, die eine Riblet-Struktur aufweist, wobei die Riblet-Struktur erfindungsgemäß ausgestaltet ist.
-
Zunächst werden einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.
-
Mit einer „Riblet-Struktur“ wird eine mikrostrukturierte Oberfläche bezeichnet, die zur Reduzierung der Wandreibung bei einer Strömung entlang der Oberfläche gegenüber einer entsprechenden Oberfläche ohne Riblet-Struktur ausgebildet ist. Die Riblet-Struktur umfasst dabei auf einer Basisfläche angeordnete Erhebungen, deren gegenseitiger Abstand und/oder Höhe jeweils keiner als 1 mm, häufig sogar kleiner als 200 µm wenn nicht sogar kleiner als 60 µm ist. Die Form und Anordnung der Erhebungen ist dabei an die zu erwartende Strömung angepasst und insbesondere auf eine Hauptströmungsrichtung ausgelegt, wobei die Erhebungen in der Regel langgestreckt in Richtung der Hauptströmungsrichtung ausgebildet sind. Bei einem Flugzeug ergibt sich die - lokal über die gesamte Außenwand eines Flugzeuges durchaus variierende - Hauptströmungsrichtung über die Außenwand bspw. aus der Umströmung des Flugzeugs im Reiseflug.
-
Eine Basisfläche weist dann „mehrere alternierende Niveauänderungen“ auf, wenn die Fläche im Querschnitt entlang einer vorgegebenen Richtung mehrfach ausgehend von einem Grundniveau an- oder absteigend verläuft und anschließend wieder auf das Grundniveau zurückgeführt wird. Die alternierenden Niveauänderungen können dabei voneinander beabstandet oder unmittelbar aneinander anschließend sein. Im erstgenannten Fall kann die Basisfläche zwischen den alternierenden Niveauänderungen bspw. entlang des Grundniveaus verlaufen, im letztgenannten Fall kann sich bspw. eine Wellenform der Basisfläche ergeben.
-
Die Erfindung hat erkannt, dass sich die Wandreibung gegenüber einer Riblet-Struktur gemäß dem Stand der Technik verbessern lässt, wenn nicht nur an die Hauptströmungsrichtung angepasste Erhebungen im Submillimeterbereich vorgesehen sind, sondern auch die Basisfläche, auf der diese Erhebungen angeordnet sind, in Hauptströmungsrichtung mehrere alternierende Niveauänderungen vorgesehen sind. Durch diese Maßnahme lassen sich Geschwindigkeitsschwankungen eines die Oberfläche überströmenden Fluids in der Nähe der überströmten Oberfläche reduzieren. Auch werden durch diese Maßnahme Turbulenzballen von der überströmten Oberfläche weggedrückt. Im Ergebnis kann durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Basisfläche die Wandreibung bei Überströmung mit einem Fluid gegenüber einer Riblet-Struktur gemäß dem Stand der Technik - also ohne Niveauänderungen der Basisfläche - verringert werden. Je nach Anwendungsfalls handelt es sich bei dem Fluid bspw. um Luft oder Wasser.
-
Es ist bevorzugt, wenn die alternierenden Niveauänderungen in Hauptströmungsrichtung periodisch sind. Es sollen also nicht nur mehrere alternierende Niveauänderungen vorgesehen sein, sondern diese sollen auch in einem regelmäßigen Abstand angeordnet und in ihrer jeweiligen Form identisch sein. Aufgrund der daraus resultierenden Regelmäßigkeit der Riblet-Struktur wird erreicht, dass die Einwirkungen der Riblet-Struktur auf das darüber strömende Fluid über die mit der Riblet-Struktur versehene Oberfläche im Wesentlichen gleichbleibend sind.
-
Wenigstens eine der alternierenden Niveauänderung kann um eine Ebene senkrecht zur Basisfläche symmetrisch sein. Dies ist insbesondere für Anwendungen vorteilhaft, bei denen das Fluid auch entgegen der Hauptströmungsrichtung strömen kann. Ist die Riblet-Struktur bspw. an der Außenwand eines Hochgeschwindigkeitszuges angeordnet, können die durch die alternierenden Niveauänderungen erreichten Strömungseffekt in beide möglichen Fahrtrichtungen des Zuges gleichermaßen erreicht werden. In Anwendungen, bei denen die Strömung nur in, jedoch nicht entgegen der Hauptströmungsrichtung zu erwarten ist - wie bspw. an der Außenwand von Flugzeugen - kann wenigstens eine alternierende Niveauänderung aber auch unsymmetrisch sein. Mit einer geeignet ausgebildeten unsymmetrischen Niveauänderung kann die Wandströmung ggf. weiter optimiert bzw. die Wandreibung weiter reduziert werden.
-
Es ist bevorzugt, wenn die alternierenden Niveauänderungen im Querschnitt eine Wellenform aufweisen. In anderen Worten sollen die alternierenden Niveauänderungen also unmittelbar aneinander anschließen und die Niveauänderungen kantenfrei erfolgen. Die Wellenform kann bspw. eine Sinusform sein. Es ist weiter bevorzugt, wenn die Wellenform einer Überlagerung von zwei sinusförmigen Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen entspricht.
-
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Erhebungen gegenüber der Basisfläche auch in den Bereichen der alternierenden Niveauänderungen eine konstante Höhe aufweisen, sich die alternierenden Niveauänderungen also unmittelbar an der Oberseite der Erhebungen widerspiegeln. Es ist aber bevorzugt, wenn die Oberseite der Erhebungen in einer gemeinsamen Ebene liegen, vorzugsweise in einer Ebene parallel zum Grundniveau der Basisfläche. In anderen Worten ist die Oberseite der Riblet-Struktur dann weiterhin eben, sodass sich ausgehend von der Oberseite der Riblet-Struktur aufgrund der alternierenden Niveauänderungen in der Basisfläche die Tiefe der zwischen den Erhebungen befindlichen Vertiefungen verändert.
-
Es ist weiter bevorzugt, wenn die Erhebungen in einer Ebene parallel zur Fläche einen sinusförmigen oder zick-zack-förmigen Verlauf aufweisen.
-
Die Basisfläche kann vollständig Teil der Riblet-Struktur sein. Es ist aber auch möglich, dass die Basisfläche in den Bereichen mit Grundniveau wenigstens teilweise durch eine Oberfläche eines anderen Bauteils gebildet ist, auf welches die Riblet-Struktur aufgebracht wird.
-
Die Riblet-Struktur kann durch Einprägen in eine Lackschicht vor deren vollständiger Aushärtung hergestellt oder durch eine strukturierte Folie - bspw. zum Aufkleben auf eine Oberfläche eines Bauteils - ausgebildet sein.
-
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Bauteils wird auf die vorstehenden Ausführungen verweisen. Bei dem Bauteil kann es sich insbesondere um ein Bauteil eines Flugzeuges handeln, welches eine an der Außenseite befindliche Oberfläche aufweist, an der die Luft während des Fluges entlangströmt. Bspw. kann es sich bei dem Bauteil um ein Element der Kabinenaußenhaut oder eine Flügelbeplankung handeln.
-
Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Riblet-Struktur;
- 2: ein Querschnitt durch die Riblet-Struktur gemäß 1;
- 3a-d: Ausführungsvarianten zur Riblet-Struktur gemäß 1 und 2; und
- 4: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Riblet-Struktur.
-
In 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Riblet-Struktur 1 auf der Oberfläche eines nicht dargestellten Bauteils gezeigt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Ausschnitt der Riblet-Struktur 1 dargestellt ist. Grundsätzlich wiederholt sich die in 1 gezeigte Teilstruktur auf bekannte Weise in Längs- und Querrichtung.
-
Die Riblet-Struktur 1 weist zur Reduzierung der Wandreibung bei einer Luftströmung entlang der Oberfläche 90 in der durch den Pfeil 91 angedeuteten Hauptströmungsrichtung eine Topographie von Erhebungen 2 auf, wobei die Oberfläche 90 gleichzeitig die Basisfläche 3 für die Erhebungen bildet.
-
Die Erhebungen 2 sind in Hauptströmungsrichtung 91 langgestreckt ausgebildet und weisen in einer Ebene parallel zur Oberfläche 90 einen sinusförmigen Verlauf auf. Dabei sind jeweils zwei benachbarte Erhebungen 2 so angeordnet, dass ihr gegenseitiger Abstand zwischen 60 µm und 200 µm variiert. Die Höhe der einzelnen Erhebungen 2 beträgt 60 µm gegenüber der Oberfläche 90.
-
Die Basisfläche 3 weist in Hauptströmungsrichtung mehrere alternierende Niveauänderungen 4 auf. An diesen alternierenden Niveauänderungen 4 steigt die Basisfläche 2 ausgehend von dem durch die Oberfläche 90 definierten Grundniveau 92 in Hauptströmungsrichtung zunächst an, bevor sie wieder auf das Grundniveau 92 absinkt. Die alternierende Niveauänderungen 4 sind dabei im Querschnitt sinusförmig ausgestaltet und somit jeweils um eine Ebene 93 senkrecht zur Basisfläche symmetrisch. Weiterhin sind sie in konstanten Abständen angeordnet, sodass die alternierende Niveauänderungen 4 periodisch sind.
-
Wie aus 1 und 2 ersichtlich, liegen trotz der alternierenden Niveauänderungen 4 auf der Basisfläche 3 die Oberseiten der Erhöhungen 2 vollständig in einer Ebene, die parallel zur Oberfläche 90 verläuft. Im Bereich der alternierenden Niveauänderungen 4 ist in der Folge die Höhe der Erhöhungen 2 angepasst bzw. entsprechend der alternierenden Niveauänderung 4 verringert.
-
Sowohl die Erhöhungen 2 als auch die alternierenden Niveauänderungen 4 sind durch Einprägen in einen Lack vor dessen vollständiger Aushärtung hergestellt, wobei die Oberfläche 90 selbst durch den Lack gebildet und zusammen mit der Riblet-Struktur 1 hergestellt ist.
-
In 3 sind Ausführungsvarianten zur Riblet-Struktur 1 gemäß 1 und 2 gezeigt. Da sich die Ausführungsvarianten lediglich in der Ausgestaltung der Basisfläche 2 bzw. der alternierenden Niveauänderungen 4 unterscheiden, beschränkt sich die Darstellung der Ausführungsvarianten auf eine Schnittansicht analog zur 2.
-
Bei der Ausführungsvariante gemäß 3a sind die alternierende Niveauänderungen 4 analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 ausgebildet. Allerdings sind die alternierende Niveauänderungen 4 nicht beabstandet voneinander, sondern vielmehr unmittelbar hintereinander angeordnet.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel in 3b umfassen die alternierende Niveauänderungen 4 nicht ausschließlich Anhebungen über das Grundniveau 92 sondern auch Vertiefungen.
-
Die Ausführungsvariante gemäß 3c weist im dargestellten Querschnitt unsymmetrische alternierende Niveauänderungen 4 auf. Anders als bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 2, 3a und 3b in denen der Effekt der Reduzierung der Wandreibung in Hauptströmungsrichtung im selben Umfang erreicht wird, wenn die Strömung entgegen der Hauptströmungsrichtung erfolgt, ist die Riblet-Struktur gemäß 3c tatsächlich ausschließlich auf eine Überströmung der Oberfläche 90 in Hauptströmungsrichtung 91 optimiert.
-
Gleiches gilt für die Ausführungsvariante 3d, bei der die alternierende Niveauänderungen 4 jedoch nicht fließend - wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen - sondern vielmehr abschnittsweise linear erfolgen.
-
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Riblet-Struktur, wobei die Erhebungen 2 in Hauptströmungsrichtung 91 ebenfalls langgestreckt ausgebildet sind, jedoch zueinander jeweils einen konstanten Abstand aufweisen. Abweichend zum Ausführungsbeispiel der 1 entsprechen die Erhebungen 2 in einer Ebene parallel zur Oberfläche 90 einer halben Sinusschwingung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
