AT527151B1 - Riblet-Struktur sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Riblet-Struktur (1) für eine Oberfläche zur Herabsetzung eines Reibungswiderstandes gegenüber einem in einer Hauptrichtung (H) entlang der Oberfläche strömenden Fluid, wobei die Riblet-Struktur (1) mehrere von einer Basisfläche (2) abragende in Hauptrichtung (H) orientierte voneinander beabstandete, insbesondere keilförmige, Längsrippen (3) aufweist. Zur Erreichung eines geringen Reibungswiderstandes ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen jeweils zwei benachbarten Längsrippen (3) die Basisfläche (2) in Hauptrichtung (H) voneinander beabstandete Vertiefungen (5) aufweist, welche Vertiefungen (5) in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung (H) zumindest abschnittsweise, bevorzugt gänzlich, von zumindest einer oder beiden der Längsrippen (3) beabstandet sind. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Riblet-Struktur (1).

Description

Beschreibung

RIBLET-STRUKTUR SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SOLCHEN

[0001] Die Erfindung betrifft eine Riblet-Struktur für eine Oberfläche zur Herabsetzung eines Reibungswiderstandes gegenüber einem in einer Hauptrichtung entlang der Oberfläche strömenden Fluid, wobei die Riblet-Struktur mehrere von einer Basisfläche abragende in Hauptrichtung orientierte voneinander beabstandete, insbesondere keilförmige, Längsrippen aufweist.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Riblet-Struktur.

[0003] Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Riblet-Struktur.

[0004] Riblet-Strukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei handelt es sich um Oberflächenstrukturen, üblicherweise im Sub-Millimeter-Bereich, welche ausgebildet sind, um einen Reibungswiderstand einer die Oberflächenstruktur aufweisenden Oberfläche gegenüber einem entlang der Oberfläche strömenden Fluid, wie Luft oder Wasser, zu reduzieren. Anwendung finden Riblet-Strukturen beispielsweise auf Flugzeugrümpfen oder Flugzeugtragflächen eines Flugzeuges, um einen Reibungswiderstand des Flugzeuges gegenüber einer entlang des Flugzeuges strömenden Luftströmung zu verringern.

[0005] Riblet-Strukturen werden in der Regel mit auf einer Basisebene angeordneten entlang einer Hauptrichtung, welche im Einsatz einer Hauptströmungsrichtung des Fluids entspricht, verlaufenden voneinander beabstandeten Längsrippen gebildet. Die Längsrippen sind häufig keilförmig ausgebildet.

[0006] Beispielsweise offenbart das Dokument EP 3 170 743 A1 eine Riblet-Struktur mit mehreren derartig ausgebildeten keilförmigen Längsrippen. Die zwischen den Längsrippen angeordnete Basisfläche kann eben oder gewölbt ausgebildet sein.

[0007] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Riblet-Struktur der eingangs genannten Art anzugeben, welche einen geringen Reibungswiderstand gegenüber einem entlang der Riblet-Struktur bzw. einer die Riblet-Struktur aufweisenden Oberfläche strömenden Fluid aufweist.

[0008] Weiter ist es ein Ziel eine Verwendung einer solchen Riblet-Struktur anzugeben.

[0009] Außerdem ist es ein weiteres Ziel, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen RibletStruktur anzugeben.

[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Riblet-Struktur der eingangs genannten Art zwischen jeweils zwei benachbarten Längsrippen die Basisfläche in Hauptrichtung voneinander beabstandete Vertiefungen aufweist, welche Vertiefungen in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung zumindest abschnittsweise, bevorzugt gänzlich, von zumindest einer oder beiden der Längsrippen beabstandet sind.

[0011] Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, dass es möglich ist, bei einer üblichen RibletStruktur, welche mit auf einer Basisfläche angeordneten voneinander beabstandeten Längsrippen gebildet ist, durch Einbringen von Vertiefungen in einen zwischen jeweils zwei benachbarten Längsrippen befindlichen Basisflächenabschnitt ein Strömungsverhalten eines entlang der RibletStruktur strömenden Fluids unmittelbar an der Riblet-Struktur, insbesondere in einer sogenannten viskosen Unterschicht einer fluiddynamischen Grenzschicht der Fluidströmung, zu beeinflussen, ohne dabei jedoch eine maßgebliche Beeinflussung bzw. Störung eines etwas weiter von der Riblet-Struktur entfernten Grenzschichtprofils der Fluidströmung, im Besonderen einer Strömungsturbulenz über den Längsrippen, zu bewirken. Auf diese Weise ist das Potenzial gegeben mit einer strukturellen Weiterbildung des Basisflächenabschnittes zwischen den Längsrippen ein Strömungsverhalten unmittelbar an der Riblet-Struktur zu verbessern. Die benachbarten Längsrippen bezeichnen üblicherweise jeweils zwei, insbesondere in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung, unmittelbar benachbarte Längsrippen. Die Basisfläche ist in der Regel als Basis-

ebene und der Basisflächenabschnitt als Basisebenenabschnitt ausgebildet. Die Längsrippen sind in der Regel in Hauptrichtung orientiert, wobei die Längsrippen in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung voneinander beabstandet nebeneinander angeordnet sind.

[0012] Übliche Riblet-Strukturen mit einem, in der Regel ebenen, Basisflächenabschnitt zwischen den Längsrippen erzeugen einen turbulenten viskosen Widerstand, verursacht maßgeblich durch eine Interaktionsfläche des zwischen den Längsrippen befindlichen Basisflächenabschnittes. Es hat sich gezeigt, dass durch ein Einbringen von Vertiefungen in den Basisflächenabschnitt der viskose Widerstand reduzierbar ist. Dies ist durch eine reduzierte Interaktionsfläche des Basisflächenabschnittes erklärbar, da durch die eingebrachten Vertiefungen eine auf gleicher Höhe befindliche Fläche des Basisflächenabschnittes reduziert ist bzw. ein Teil der Basisfläche durch die Vertiefung abgesenkt ist und damit nur in reduzierter Weise zum viskosen Widerstand beiträgt. Im Gegenzug hat sich allerdings gezeigt, dass durch die Vertiefungen ein zusätzlicher Druckwiderstand generiert wird. Ein zum Vergleich herangezogener Gesamtwiderstand ergibt sich damit bei einer Riblet-Struktur mit Vertiefungen aus einer Summe von viskosem Widerstand und Druckwiderstand im Vergleich zu einem lediglich viskosen Widerstand bei einer Riblet-Struktur ohne Vertiefungen. Ein vorteilhaft erniedrigter Gesamtwiderstand bzw. Reibungswiderstand ist also bei einer Riblet-Struktur mit Vertiefungen erreichbar, wenn durch die Vertiefungen einerseits eine Reduktion des viskosen Widerstandes möglichst ausgeprägt ist und andererseits ein im Gegenzug generierter Druckwiderstand möglichst klein gehalten wird.

[0013] Untersuchungen haben gezeigt, dass dies mit einer ausgeprägten Abgrenzung der Vertiefungen in der Basisfläche bzw. einer ausgeprägten zumindest abschnittsweisen Beabstandung der jeweiligen Vertiefung von den Längsrippen umsetzbar ist. Dies kann vorteilhaft mit einem an die jeweilige Vertiefung, insbesondere zwischen zumindest einer der Längsrippen und der Vertiefung befindlichen, angrenzenden Basisflächenbereich bzw. einer zumindest abschnittsweisen, bevorzugt gänzlichen, Beabstandung der Vertiefung von den Längsrippen umgesetzt werden. Ursache scheint eine Erzeugung von turbulenter Strömung an Vertiefungsrandabschnitten der Vertiefung zu sein, insbesondere wenn ein Strömungsanteil in die jeweilige Vertiefung eindringt. Dies steht in Zusammenhang mit dem durch die Vertiefung erzeugten Druckwiderstand. Dies ist erreichbar, wenn die jeweilige Vertiefung in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung zumindest abschnittsweise, bevorzugt gänzlich, beabstandet von zumindest einer der beiden Längsrippen ausgebildet sein. Von Vorteil für einen reduzierten viskosen Widerstand ist es, wenn die Vertiefung von beiden Längsrippen jeweils zumindest abschnittsweise, bevorzugt gänzlich, beabstandet ist. Es versteht sich, dass die beiden Längsrippen hierbei jene beiden unmittelbar benachbarten Längsrippen bezeichnen, zwischen welchen die jeweilige Vertiefung bzw. die Vertiefungen angeordnet sind. Basisflächenabschnitt bezeichnet üblicherweise den zwischen den beiden Längsrippen bzw. zwei unmittelbar benachbarten Längsrippen befindlichen Teil der Basisfläche. Jener Teil des Basisflächenabschnittes, welcher keine Vertiefungen aufweist bzw. in welchen keine Vertiefungen eingefügt sind, wird häufig als Interaktionsflächenabschnitt oder Referenzflächenabschnitt der Basisfläche bezeichnet. Das Fluid kann mit einem Gas, beispielsweise Luft, und/oder einer Flüssigkeit, wie Wasser, gebildet sein.

[0014] Jeweils zwei unmittelbar benachbarte Längsrippen, auch als Längsrippenpaar bezeichnet, bilden dabei in der Regel zwischen diesen eine Furche, auch als Längskanal bezeichnet, aus, wobei üblicherweise eine Furchenbodenfläche durch die Basisfläche bzw. einem jeweils zwischen den Längsrippen befindlichen Basisflächenabschnitt der Basisfläche gebildet ist und insbesondere Furchenseitenflächen bzw. Längskanalseitenflächen durch Seitenflächen der Längsrippen gebildet sind. Die Vertiefungen sind in die Basisfläche bzw. den Basisflächenabschnitt eingefügt bzw. mit dieser/diesem gebildet. Die Längsrippen sind meist keilförmig ausgebildet bzw. weisen in einem Querschnitt orthogonal zur Längserstreckung der Längsrippen eine dreieckige oder trapezförmige Grundform auf. Seitenwände der Längsrippen können eben ausgebildet sein. Die Längsrippen sind üblicherweise auf der Basisfläche angeordnet bzw. ragen von dieser ab. Die Basisfläche, insbesondere der zwischen jeweils zwei Längsrippen befindliche Basisflächenabschnitt der Basisfläche, kann im Wesentlichen eben ausgebildet sein, wobei zusätzlich die Vertiefungen in die Basisfläche eingefügt bzw. mit dieser gebildet sind. Die Furche bildet dabei häufig

im Wesentlichen eine auf dem Kopf stehende trapezförmige Ausnehmung, wobei an diese zusätzlich die mit der jeweiligen Vertiefung gebildete Ausnehmung anschließt. Ist die Basisfläche eben ausgebildet, wird diese häufig als Basisebene bezeichnet. Jener Bereich der Basisfläche, welcher nicht Teil der Vertiefungen ist, wird auch als Interaktionsfläche oder Referenzfläche der Basisfläche, bzw. insbesondere analog als Interaktionsebene oder Referenzebene der Basisebene, bezeichnet. In der Regel ist die Längsrippenhöhe der beiden Längsrippen bzw. des Längsrippenpaares höher als eine zwischen diesen mit der Basisfläche bzw. dem jeweiligen Basisflächenabschnitt gebildete Substruktur bzw. Topologie. Vorzugsweise ist eine durchschnittliche Höhe des Basisflächenabschnittes kleiner als, insbesondere die Hälfte, vorzugsweise ein Viertel, eine(r) durchschnittliche Längsrippenhöhe der beiden den Basisflächenabschnitt begrenzenden Längsrippen. Draufsicht, insbesondere auf die Riblet-Struktur und/oder die Längskanäle, bezeichnet üblicherweise eine Sicht orthogonal zur Hauptrichtung und orthogonal zu einer Nebenrichtung. Die Draufsicht erfolgt üblicherweise entlang der Höhenrichtung. Üblicherweise sind in der Nebenrichtung die Längsrippen bzw. Längskanäle nebeneinander angeordnet. In der Regel sind in der Nebenrichtung die Längsrippen, insbesondere des jeweiligen Längskanals, beabstandet voneinander angeordnet. Die Nebenrichtung ist üblicherweise orthogonal zur Hauptrichtung orientiert. Es versteht sich, dass eine angegebene Höhe, insbesondere die Längsrippenhöhe, üblicherweise in Höhenrichtung definiert ist.

[0015] Die Höhenrichtung ist in der Regel orthogonal zur Basisfläche bzw. im Besonderen sowohl orthogonal zur Hauptrichtung als auch orthogonal zur Nebenrichtung.

[0016] Die Seitenfläche einer jeweiligen Längsrippe ist üblicherweise im Wesentlichen parallel zur Hauptrichtung orientiert. Praktikabel ist es, wenn die Seitenfläche derart ausgebildet ist, dass, insbesondere in einem Querschnitt orthogonal zur Hauptrichtung, eine an die Seitenfläche angelegte Tangente einen Winkel zwischen 30° und 50°, bevorzugt etwa 40°, mit der Basisfläche bzw. dem an die Seitenfläche angrenzenden Basisflächenabschnitt aufweist. Vorzugsweise gilt dies für beide Seitenflächen der jeweiligen Rippe.

[0017] Vorteilhaft ist üblicherweise vorgesehen, dass die Vertiefungen, insbesondere in Hauptrichtung, mit einer sich wiederholenden Ordnungsstruktur bzw. regelmäßig angeordnet ausgebildet sind. Dadurch können widerstandsreduzierte Eigenschaften praktikabel großflächig umgesetzt werden. Dies kann in Hauptrichtung und/oder orthogonal zur Hauptrichtung umgesetzt sein. Die Vertiefungen können hierzu eine periodische Struktur bilden, insbesondere mit regelmäßigen, bevorzugt gleichbleibenden, Abständen zwischen diesen angeordnet sein. Im Speziellen können mehrere durch unterschiedlich ausgebildete Vertiefungen repräsentierte Vertiefungsklassen vorhanden sein, wobei Vertiefungen unterschiedlicher Vertiefungsklassen nach einem vorgegebenen Ordnungsschema nebeneinander angeordnet sind. Üblicherweise sind jeweils gleich ausgebildete Vertiefungen der gleichen Vertiefungsklasse zugeordnet. Es ist zweckmäßig, wenn Vertiefungen unterschiedlicher Vertiefungsklassen, insbesondere periodisch, sich einander abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Hierzu können sich einzelne oder Gruppen unmittelbar benachbarter Vertiefungen jeweils einer Vertiefungsklasse einander abwechseln. Es ist möglich, die Vertiefungen unregelmäßig anzuordnen, allerdings ist eine regelmäßige Anordnung bzw. eine Anordnung mit Ordnungsstruktur bzw. Ordnungsschema bevorzugt. Vorgenanntes gilt insbesondere in Hauptrichtung und/oder orthogonal zur Hauptrichtung. Dies gilt insbesondere in einem Querschnitt im Wesentlichen parallel zur Basisfläche bzw. in Draufsicht auf die Basisfläche. Die Vertiefungen von unterschiedlichen Vertiefungsklassen können sich dabei beispielsweise in deren Form, Tiefe der Vertiefungen, Abständen von jeweils zwei unmittelbar benachbarten Vertiefungen oder einem anderen der, insbesondere nachstehend, in diesem Dokument beschriebenen Merkmale unterscheiden. Vorgenanntes kann für einen jeweiligen Basisflächenabschnitt geltend umgesetzt sein.

[0018] Es hat sich gezeigt, dass üblicherweise eine sehr ausgeprägte Beabstandung der jeweiligen Vertiefungen von zumindest einer, vorzugsweise beiden, der Längsrippen günstig für einen niedrigen Druckwiderstand ist. Von Vorteil ist es, wenn in Draufsicht auf die Basisfläche in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung ein durchschnittlicher Abstand zwischen zumindest einer der beiden Längsrippen und einem dieser Längsrippe zugewandten die jeweilige Vertiefung be-

grenzenden Vertiefungsrandabschnitt mehr als 5 %, insbesondere mehr als 10 %, bevorzugt mehr als 20 %, insbesondere bevorzugt mehr als 25 %, eines durchschnittlichen Längsrippenabstandes zwischen den Längsrippen beträgt. Der Längsrippenabstand bezeichnet üblicherweise in einem Querschnitt orthogonal zur Hauptrichtung H einen Abstand der Längsrippen auf Höhe der Basisfläche bzw. deren Referenzfläche bzw. in der Regel entsprechend einer Breite des jeweiligen Basisflächenabschnittes. Der Längsrippenabstand wird üblicherweise orthogonal zur Längsrippenhöhe gemessen. Wie vorstehend ausgeführt kann mit einer Beabstandung der Vertiefung bzw. eines Vertiefungsrandabschnittes eines Vertiefungsrandes der jeweiligen Vertiefung Einfluss auf eine Ausprägung des Widerstandsverhaltens, insbesondere von viskosem Widerstand bzw. Druckwiderstand, genommen werden, um dieses zu optimieren. Bevorzugt ist es, wenn eine solche Beabstandung zu beiden der Längsrippen vorhanden ist, also insbesondere beide Längsrippen jeweils einen solchen Abstand zu dem der jeweiligen Längsrippe zugewandten die jeweilige Vertiefung begrenzenden Vertiefungsrandabschnitt aufweisen. Es versteht sich, dass der Abstand zu der jeweiligen Längsrippe dabei unterschiedlich oder gleich sein kann. Der durchschnittliche Abstand zwischen zumindest einer der beiden Längsrippen und dem dieser Längsrippe zugewandten die jeweilige Vertiefung begrenzenden Vertiefungsrandabschnitt beträgt in der Regel weniger als 90 %, insbesondere weniger als 80 %, bevorzugt weniger als 65 %, insbesondere bevorzugt weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 45 %, eines durchschnittlichen Längsrippenabstandes zwischen den Längsrippen. Vorteilhaft ist es, wenn die Vertiefung, bevorzugt ein Flächenschwerpunkt einer durch den Vertiefungsrand gebildeten FIläche, im Wesentlichen zentral zwischen den beiden Längsrippen, also insbesondere in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Längsrippen, angeordnet ist. Vorgenannte Abstände zwischen Längsrippe und Vertiefungsrandabschnitt werden dabei üblicherweise zwischen einem Punkt, an dem die jeweilige Längsrippe an den Basisflächenabschnitt angrenzt, und einem Punkt des Vertiefungsrandabschnittes bestimmt.

[0019] Zweckmäßig ist es, wenn die Vertiefung, insbesondere ein Vertiefungsrandsegment der Vertiefung, an einen, insbesondere in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung, zwischen der Vertiefung und einer der Längsrippen befindlichen Basisflächenbereich angrenzt. Für ein optimiertes Widerstandsverhalten ist es günstig, wenn der Basisflächenbereich im Wesentlichen eben ausgebildet ist. Der Basisflächenbereich kann sowohl an die Vertiefung bzw. das Vertiefungsrandsegment und die zumindest eine Längsrippe, insbesondere deren Seitenfläche, anschließen. Bevorzugt ist ein solcher Basisflächenbereich zwischen beiden der Längsrippen und jeweils der Vertiefung bzw. jeweils einem Vertiefungsrandsegment der Vertiefung vorhanden. Praktikabel kann das Vertiefungsrandsegment der Vertiefungsrandabschnitt sein. Bevorzugt ist es, wenn die Vertiefung bzw. der Vertiefungsrand zum Großteil, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen gänzlich, von einem solchen Basisflächenbereich umgeben ist.

[0020] Eine besonders ausgeprägte Reduzierung des Reibungswiderstandes ist erreichbar, wenn in einem Querschnitt parallel zur Basisfläche, insbesondere deren Referenzfläche, eine durchschnittliche Längserstreckung der Vertiefung in Hauptrichtung maximal 1,5-mal, insbesondere maximal 1,2-mal, so groß wie eine durchschnittliche Breitenerstreckung der Vertiefung in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung ist. Dies gilt besonders in Draufsicht auf die Basisfläche. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn eine durch den Vertiefungsrand definierte Fläche derart ausgebildet ist.

[0021] Von Vorteil für einen reduzierten Druckwiderstand ist es, wenn eine durchschnittliche Tiefe der Vertiefungen kleiner als 75 %, insbesondere zwischen 5 % und 70%, einer durchschnittlichen Längsrippenhöhe der Längsrippen ist. Es hat sich gezeigt, dass bei größeren Tiefen Turbulenzen auftreten können, welche zu einer Erhöhung des Druckwiderstandes führen. Vorzugsweise ist die durchschnittliche Tiefe der Vertiefung zwischen 5 % und 60 %, insbesondere zwischen 10 % und 45 %, bevorzugt kleiner als 30 %, insbesondere bevorzugt kleiner als 15 %, der durchschnittlichen Längsrippenhöhe der Längsrippen.

[0022] Zum Einstellen eines viskosen Widerstandes ist es vorteilhaft, wenn mehrere der Vertiefungen zwischen den beiden Längsrippen einander in Richtung orthogonal zur Hauptrichtung überlappen.

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[0023] Für eine Abstimmung zwischen viskosem Widerstand und Druckwiderstand ist es günstig, wenn die Vertiefungen zwischen den Längsrippen bzw. dem Längsrippenpaar mehrere in Hauptrichtung orientierte Vertiefungsreihen bilden. Beispielsweise können zwei in Hauptrichtung verlaufende Reihen von Vertiefungen zwischen den beiden Längsrippen vorhanden sein. Vorteilhaft ist es, wenn unmittelbar benachbarte Vertiefungsreihen in Hauptrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, bevorzugt jeweils um die Hälfte eines Abstandes von zwei unmittelbar benachbarten Vertiefungen einer der Vertiefungsreihen. Dadurch ist eine in Bezug auf den Gesamtwiderstand vorteilhaftes Strömungsverhalten umsetzbar. Die Vertiefungen zwischen den Reihen können dabei einander in Richtung orthogonal zur Hauptrichtung überlappen.

[0024] Praktikabel ist es, wenn die jeweilige Vertiefung entlang einer Tiefenrichtung der Vertiefung überwiegend, insbesondere im Wesentlichen, eine gleichbleibende Querschnittsfläche aufweist. Beispielsweise kann die Vertiefung mit bzw. durch eine im Wesentlichen zylinderförmige oder prismaförmige, insbesondere quaderförmige oder würfelförmige, Ausnehmung gebildet sein. Dabei kann eine Grundfläche der Prismaform mehreckig, beispielsweise dreieckig, viereckig, fünfeckig oder sechseckig sein. Es kann aber günstig für ein turbulentes Strömungsverhalten sein, wenn die Vertiefung entlang der Tiefenrichtung der Vertiefung zumindest abschnittsweise, insbesondere überwiegend, bevorzugt im Wesentlichen, eine kleiner werdende Querschnittsfläche aufweist. Die Vertiefung kann beispielsweise mit bzw. durch eine im Wesentlichen kegelförmige oder pyramidenförmige Ausnehmung gebildet sein. Dabei kann eine Grundfläche der Pyramidenform beispielsweise dreieckig, viereckig, fünfeckig oder sechseckig sein. Zweckmäßig ist es, wenn die Vertiefung entlang der Tiefenrichtung der Vertiefung ein erstes Vertiefungssegment mit einer entlang der Tiefenrichtung gleichbleibenden Querschnittsfläche und ein, insbesondere dem ersten Vertiefungssegment in Tiefenrichtung nachgeordnetes, zweites Vertiefungssegment mit entlang der Tiefenrichtung kleiner werdender Querschnittsfläche aufweist. Bevorzugt bildet das zweite Vertiefungssegment ein Endsegment der Vertiefung. Die Querschnittsfläche der Vertiefung ist in der Regel orthogonal zur Tiefenrichtung der Vertiefung ausgerichtet. Das erste bzw. zweite Vertiefungssegment kann dabei auf vorgenannte Weise ausgebildet sein.

[0025] Je nach Einsatzzweck können unterschiedliche Formen von Vertiefungen, insbesondere von Querschnittsflächen von Vertiefungen, besonders günstig sein. So kann die jeweilige Vertiefung in einem Querschnitt bzw. der Vertiefungsrand eckenfrei, insbesondere oval oder rund, geformt sein oder mehreckig, beispielsweise dreieckig, viereckig, fünfeckig oder sechseckig geformt sein.

[0026] Günstig zur Verringerung des Druckwiderstandes ist es, wenn die jeweilige Vertiefung eine Vertiefungswand, mit welcher die Vertiefung gebildet ist, aufweist, welche zumindest abschnittsweise, insbesondere im Wesentlichen, als Rotationsfläche, insbesondere mit einer Rotationsachse in Tiefenrichtung der Vertiefung ausgebildet ist. So kann die Vertiefungswand mit einem Teil eines Rotationsellipsoides, insbesondere einer Kugeloberfläche, eines Rotationsparaboloides oder eines Rotationshyperboloides ausgebildet sein. Günstig kann es sein, wenn der Vertiefungswandabschnitt mit einem Teil eines Kegelmantels oder Zylindermantels gebildet ist. Beispielsweise kann die Vertiefung eine Vertiefungswand aufweisen, welche im Wesentlichen kuppelförmig ausgebildet ist.

Von Vorteil ist es, wenn die jeweilige Vertiefung in Tiefenrichtung mit einem ersten Vertiefungsbereich und einem diesen nachgelagerten zweiten Vertiefungsbereich gebildet ist, wobei der erste Vertiefungsbereich einen kleineren Durchmesser als der zweite Vertiefungsbereich aufweist. Bevorzugt ist dabei, wenn ein Durchmesser, insbesondere eine Flächenquerschnittsfläche, des ersten Vertiefungsbereiches kleiner als 80 % eines Durchmessers, insbesondere einer Flächenquerschnittsfläche, des zweiten Vertiefungsbereiches ist. Es hat sich gezeigt, dass dies vorteilhaft für eine Reduktion des Druckwiderstandes ist. Bevorzugt ist es, wenn der Durchmesser bzw. die Flächenquerschnittsfläche des ersten Vertiefungsbereiches kleiner als 65 %, insbesondere zwischen 5 % und 50 %, bevorzugt zwischen 10 % und 30 %, insbesondere bevorzugt kleiner als 20 % des Durchmessers bzw. der Flächenquerschnittsfläche des zweiten Vertiefungsbereiches ist. Ursache des vorteilhaften Effektes auf den Druckwiderstand scheint in der Anwendung eine Wechselwirkung zwischen Strömungen bzw. Turbulenzen in den unterschiedlichen

Vertiefungsbereichen zu sein. Zweckmäßig können mehrere, insbesondere ein Großteil, bevorzugt im Wesentlichen sämtliche, der Vertiefungen zwischen den beiden Längsrippen derart ausgebildet sein. Die Vertiefungsbereiche können unterschiedlich geformt sein bzw. jeweils entsprechend den zu Form und Größe der Vertiefung angegebenen Merkmalen, insbesondere voneinander verschieden, ausgebildet sein.

[0027] Es kann günstig für ein Strömungsverhalten in den Vertiefungen sein, wenn mehrere der Vertiefungen über zumindest einen fluidleitfähigen Verbindungskanal miteinander verbunden sind. Zweckmäßig können mehrere der Vertiefungen zwischen den beiden Längsrippen, welche, insbesondere in Hauptrichtung und/oder orthogonal zu dieser nebeneinander angeordnet sind, über zumindest einen Verbindungskanal miteinander verbunden sein. Bewährt hat es sich, wenn es sich dabei um unmittelbar benachbarte Vertiefungen handelt. Wenngleich komplexer in der Ausführung, kann es für ein Strömungsverhalten günstig sein, wenn Vertiefungen zwischen unterschiedlichen von jeweils zwei unmittelbar benachbarten Längsrippen bzw. Längsrippenpaaren über zumindest einen fluidleitfähigen Verbindungskanal miteinander verbunden sind. Der Verbindungskanal verläuft dabei üblicherweise unter den Längsrippen hindurch, um die Vertiefungen zwischen unterschiedlichen Längsrippenpaaren miteinander zu verbinden. Praktikabel können Vertiefungen zwischen mehreren, einem Großteil, bevorzugt im Wesentlichen sämtlichen, der Längsrippenpaare über zumindest einen oder mehrere Verbindungskanäle miteinander verbunden sein. Vorzugsweise sind orthogonal zur Hauptrichtung, insbesondere unmittelbar, benachbarte Vertiefungen über den zumindest einen Verbindungskanal verbunden, insbesondere wenn es sich um Vertiefungen von unterschiedlichen Längsrippenpaaren handelt. Es versteht sich, dass es günstig ist, wenn mehrere Verbindungskanäle vorgesehen sind, um die Vertiefungen miteinander zu verbinden. Dabei können mehrere Verbindungskanäle zwischen jeweils zwei Vertiefungen vorhanden sein. Der Verbindungskanal kann beispielsweise als Bohrung innerhalb eines die Basisfläche bildenden Materials gebildet sein. Bewährt hat es sich, wenn der Verbindungskanal in einem Bereich eines unteren Drittels der Vertiefung, insbesondere in einem Bereich eines Vertiefungsbodens, üblicherweise seitlich, an die jeweilige Vertiefung anschließt.

[0028] Zum Einstellen des Druckwiderstandes ist es vorteilhaft, wenn mehrere Längsrippenpaarklassen vorhanden sind, wobei die Längsrippenpaarklassen Längsrippenpaare mit voneinander verschiedenen Ausbildungen von zwischen dem jeweiligen Längsrippenpaar angeordneten Vertiefungen repräsentiert, wobei Längsrippenpaare und jeweilige Vertiefungen von unterschiedlichen Längsrippenpaarklassen nach einem vorgegebenen Ordnungsschema nebeneinander, üblicherweise in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung, angeordnet sind. So können beispielsweise einander abwechselnd ein Längsrippenpaar mit Vertiefungen, aufweisend eine erste Tiefe der Vertiefungen, und ein Längsrippenpaar mit Vertiefungen, aufweisend eine zweite Tiefe der Vertiefungen, nebeneinander angeordnet sein.

Verschiedene Längsrippenpaarklassen können sich beispielsweise durch unterschiedliche Form der Vertiefungen, Tiefe der Vertiefungen, Abstände zwischen den Vertiefungen und/oder Anordnung der Vertiefungen zwischen den Längsrippen des jeweiligen Längsrippenpaares voneinander unterscheiden. Üblicherweise sind jeweils gleich ausgebildete Längsrippenpaare und jeweils zwischen deren Längsrippen angeordnete Vertiefungen der gleichen Längsrippenpaarklasse zugeordnet.

[0029] Vorteilhaft für ein Strömungsverhalten ist es, wenn auf der Basisfläche Quererhöhungen angeordnet sind, welche jeweils an eine der Seitenfläche einer der Längsrippen anschließen, wobei in einem Querschnitt orthogonal zur Hauptrichtung die Quererhöhung in einer von der Seitenwand abgewandten Richtung eine in einer Höhe abfallende, insbesondere ebene, Oberflächenkontur aufweist und vorzugsweise in die Basisfläche übergeht. Es versteht sich, dass es sich dabei um eine den Vertiefungen zugewandte Seitenfläche der Längsrippe handelt. Üblicherweise sind in Hauptrichtung mehrere voneinander beabstandete Quererhöhungen vorgesehen, welche an die Seitenfläche der jeweiligen Längsrippe anschließen. Vorzugsweise sind an den Seitenflächen beider Längsrippen solche Quererhöhungen angeordnet. Die Seitenflächen der beiden Längsrippen sind dabei üblicherweise einander zugewandt. Die jeweilige Quererhöhung geht üblicherweise in die Basisfläche über bzw. schließt vorzugsweise an eine der Vertiefungen bzw.

deren Vertiefungsrand an.

[0030] Bewährt hat es sich, wenn die Quererhöhungen an einander zugewandten Seitenflächen der beiden Längsrippen derart an diese anschließend vorhanden sind, dass im Querschnitt orthogonal zur Hauptrichtung an die Oberflächenkonturen der Quererhöhungen angelegte Tangenten einen Winkel größer als 90°, insbesondere größer als 120°, zueinander bilden.

[0031] Zweckmäßig ist es, wenn jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Quererhöhungen eine der Vertiefungen vorhanden ist. Dabei kann es sich um in Hauptrichtung und/oder orthogonal zur Hauptrichtung unmittelbar benachbarte Quererhöhungen handeln. Dabei kann es sich um unmittelbar benachbarte Quererhöhungen handeln, welche an dieselbe Längsrippe bzw. deren Seitenfläche anschließen, und/oder um unmittelbar benachbarte Quererhöhungen, welche an unterschiedliche der beiden Längsrippen bzw. deren, insbesondere einander zugewandten, Seitenflächen anschließen. Günstig für einen Strömungsverlauf ist es, wenn die jeweilige Quererhöhung in Draufsicht auf die Basisebene eine schräg zur Längsrippenlängsrichtung der jeweiligen Längsrippe, an welche die Quererhöhung anschließt, ausgerichtete Längserstreckung aufweist, wobei eine Längsrichtung der Quererhöhung einen spitzen Winkel zur Längsrippenlängsrichtung bildet. Der Winkel kann zweckmäßig zwischen 10° und 80°, insbesondere kleiner als 60°, bevorzugt etwa 45°, sein.

[0032] Üblicherweise ist vorgesehen, dass die Längsrippenhöhe der Längsrippen und/oder ein Längsrippenspitzenabstand zwischen den Längsrippenspitzen kleiner als 250 um, insbesondere kleiner als 100 um, bevorzugt kleiner als 80 um, ist. Günstig ist es, wenn die Längsrippenhöhe zwischen 250 um und 1 um, insbesondere zwischen 100 um und 5 um, bevorzugt zwischen 25 um und 40 um, insbesondere bevorzugt zwischen 30 um und 37 um, besonders bevorzugt etwa 34 um, ist. Bewährt hat es sich, wenn der Längsrippenspitzenabstand, also ein Abstand zwischen Spitzen bzw. Gipfeln von unmittelbar benachbarten Längsrippen bzw. Längsrippenpaaren, zwischen 60 um und 85 um, insbesondere zwischen 70 um und 80 um, bevorzugt etwa 74 um, aufweist.

Besonders bewährt hat es sich entsprechend, wenn die Längsrippenhöhe zwischen 30 um und 37 Um, bevorzugt etwa 34 um, und der Längsrippenspitzenabstand zwischen 70 um und 80 um, bevorzugt etwa 74 um, aufweisen. Der Längsrippenspitzenabstand wird üblicherweise in einem Querschnitt orthogonal zur Hauptrichtung zwischen den höchsten Punkten der Längsrippen bzw. Längsrippenspitzen gemessen.

[0033] Üblicherweise ist vorgesehen, dass in einem Querschnitt orthogonal zur Hauptrichtung der Basisflächenabschnitt eine Breite zwischen 50 um und 70 um, insbesondere etwa 60 um, aufweist bzw. der Längsrippenabstand in diesem Querschnitt eine solche Größe aufweist. Der Basisflächenabschnitt grenzt üblicherweise an die Längsrippen bzw. deren Seitenwände an.

[0034] Von Vorteil ist es, wenn eine Oberfläche eines Bauteiles vorhanden ist, wobei die Oberfläche eine, insbesondere wie in diesem Dokument beschriebene, Riblet-Struktur aufweist. Entsprechend den Merkmalen und Wirkungen der Riblet-Struktur kann die Oberfläche des Bauteiles mit einem geringen Reibungswiderstand gegenüber einem entlang der Oberfläche strömenden Fluid ausgebildet werden. Zweckmäßig kann es sich bei dem Bauteil um einen Teil eines Fortbewegungsmittels, beispielsweise eines Flugzeuges, Schiffes oder Autos, oder einen Teil eines Fluidleitungselementes, beispielsweise ein Rohr, oder ein Kleidungsstück, beispielsweise einen Schutzanzug oder Sportanzug, handeln, um einen Reibungswiderstand der die Riblet-Struktur aufweisenden Oberfläche des Teiles gegenüber einem entlang der Oberfläche strömenden Fluid zu reduzieren.

[0035] Das eingangs genannte Ziel wird erreicht, wenn eine Verwendung einer, insbesondere in diesem Dokument beschriebenen, Riblet-Struktur als Oberfläche bei einem Bauteil vorgesehen ist, um eine Reibung zwischen der Oberfläche und einer Gasströmung, insbesondere Luftströmung, und/oder Flüssigkeitsströmung, insbesondere Wasserströmung, zu reduzieren. Entsprechend den Merkmalen und Wirkungen der Riblet-Struktur kann die Oberfläche des Bauteiles mit einem geringen Reibungswiderstand gegenüber einem entlang der Oberfläche strömenden Fluid ausgebildet werden.

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[0036] Das weitere eingangs genannte Ziel wird erreicht, wenn ein Verfahren zur Herstellung einer Riblet-Struktur vorgesehen ist, wobei die Riblet-Struktur wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet ist und die Riblet-Struktur mit Prägung oder abtragender Bearbeitung einer Oberfläche in die Oberfläche eingebracht wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine in diesem Dokument beschriebene Riblet-Struktur mit einem geringen Reibungswiderstand gegenüber einem entlang der Riblet-Struktur strömenden Fluid hergestellt werden. Die Riblet-Struktur kann mit entsprechend den in diesem Dokument beschriebenen Merkmale und Wirkungen hergestellt werden. Praktikabel ist es, wenn zur Herstellung eine Negativ-Form der Riblet-Struktur verwendet wird, um die Riblet-Struktur durch Pressen der Negativ-Form auf die Oberfläche in die Oberfläche einzubringen.

[0037] Es versteht sich, dass sich angegebene Höhenangaben und Tiefenangaben üblicherweise auf einer Richtung orthogonal zur Basisfläche bzw. deren Referenzfläche und Angaben zu Längen und Breiten in der Regel auf einer Richtung parallel zur Basisfläche bzw. deren Referenzfläche beziehen.

[0038] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

[0039] Fig. 1 eine übliche Riblet-Struktur des Standes der Technik mit in Hauptrichtung orientierten Längsrippen und ebenen Basisflächenabschnitten zwischen Längsrippenpaaren;

[0040] Fig. 2 und Fig. 3 Ausschnitte der Riblet-Struktur der Fig. 1 in Sicht von schräg oben und in Draufsicht;

[0041] Fig. 4 eine Profildarstellung eines Ausschnittes der Riblet-Struktur der Fig. 1; [0042] Fig. 5 eine Riblet-Struktur mit in Hauptrichtung voneinander beabstandeten

Vertiefungen in zwischen Längsrippenpaaren befindlichen Basisflächenabschnitten, wobei die Vertiefungen einen rechteckigen Querschnitt aufweisen;

[0043] Fig. 6 und Fig. 7 Ausschnitte der Riblet-Struktur der Fig. 5 in Sicht von schräg oben und in Draufsicht;

[0044] Fig. 8 eine Riblet-Struktur mit in Hauptrichtung voneinander beabstandeten Vertiefungen in zwischen Längsrippenpaaren befindlichen Basisflächenabschnitten, wobei die Vertiefungen einen dreieckigen Querschnitt aufweisen;

[0045] Fig. 9 eine Riblet-Struktur mit in Hauptrichtung voneinander beabstandeten Vertiefungen in zwischen Längsrippenpaaren befindlichen Basisflächenabschnitten, wobei Vertiefungswände der Vertiefungen als Rotationsflächen ausgebildet sind;

[0046] Fig. 10 und Fig. 11 Ausschnitte der Riblet-Struktur der Fig. 9 in Sicht von schräg oben und in Draufsicht;

[0047] Fig. 12 eine Riblet-Struktur mit in Hauptrichtung voneinander beabstandeten Vertiefungen in zwischen Längsrippenpaaren befindlichen Basisflächenabschnitten, wobei die Vertiefungen einen dreieckigen Querschnitt aufweisen und zwei in Hauptrichtung orientierte Vertiefungsreihen bilden;

[0048] Fig. 13 und Fig. 14 Ausschnitte der Riblet-Struktur der Fig. 12 in Sicht von schräg oben und in Draufsicht;

[0049] Fig. 15 eine Riblet-Struktur mit in Hauptrichtung voneinander beabstandeten Vertiefungen in zwischen Längsrippenpaaren befindlichen Basisflä-

chenabschnitten, wobei sich die Vertiefungen jeweils bis zu beiden Längsrippen des jeweiligen Längsrippenpaares erstrecken;

[0050] Fig. 16 und Fig. 17 Ausschnitte der Riblet-Struktur der Fig. 15 in Sicht von schräg oben und in Draufsicht;

[0051] Fig. 18 einen Graphen, wobei ein Reibungswiderstand positionsabhängig für verschiedene Riblet-Strukturen dargestellt ist;

[0052] Fig. 19 bis Fig. 21 Konturdiagramme für eine Riblet-Struktur ohne Vertiefungen, eine Riblet-Struktur mit rechteckigen Vertiefungen und eine Riblet-Struktur mit sphärischen Vertiefungen, wobei ein mittlerer Reibungswiderstand in Graustufen dargestellt ist.

[0053] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer üblichen Riblet-Struktur 1 des Standes der Technik. Die Riblet-Struktur 1 ist mit mehreren von einer Basisfläche 2 abragenden in Hauptrichtung H verlaufenden voneinander beabstandeten keilförmigen Längsrippen 3 gebildet. Die Basisfläche 2 bildet jeweils zwischen zwei unmittelbar, üblicherweise in einer zur Hauptrichtung orthogonalen Nebenrichtung N, benachbarten Längsrippen 3 bzw. Längsrippenpaaren einen ebenen Basisflächenabschnitt 4 aus. Die Längsrippen 3 weisen vorzugsweise ebene Längsrippenseitenwände 8 auf. Eine solche Struktur hat sich als geeignet erwiesen, um einen Reibungswiderstand gegenüber einem in der Hauptrichtung H entlang der Riblet-Struktur 1 strömenden Fluid zu reduzieren. Fig. 2 und Fig. 3 zeigen schematische Darstellungen eines Ausschnittes der Riblet-Struktur 1 der Fig. 1, um die Riblet-Struktur 1 der Fig. 1 zu verdeutlichen, wobei Fig. 2 eine Sicht von schräg oben und Fig. 3 eine Draufsicht auf die Riblet-Struktur 1 der Fig. 1 darstellen.

[0054] Fig. 4 zeigt eine schematische Profildarstellung eines Ausschnittes der Riblet-Struktur 1 der Fig. 1. Als Kenndaten zur Beschreibung von Riblet-Strukturen 1 werden üblicherweise ein Längsrippenspitzenabstand Rs, ein Längsrippenabstand Ro und eine Längsrippenhöhe R; angegeben, welche in einem Querschnitt orthogonal zur Hauptrichtung H bzw. orthogonal zur Basisfläche 2, insbesondere zu einer Höhe eines jeweiligen Basisflächenabschnittes 4, gemessen werden. Der Längsrippenspitzenabstand Rs bezeichnet einen Abstand von zwei unmittelbar benachbarten Längsrippen 3 bzw. Längsrippenpaaren, der Längsrippenabstand Rp eine Breite des Basisflächenabschnittes 4 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Längsrippen 3 bzw. Längsrippenpaaren und die Längsrippenhöhe R; eine Höhe der Längsrippen 3, gemessen von der Basisfläche 2 bzw. dem jeweiligen Basisflächenabschnitt 4 aus. Dies gilt in analoger Weise auch für die weiteren hier angegebenen Riblet-Strukturen 1. Eine Höhenrichtung z ist üblicherweise orthogonal zur Hauptrichtung H und orthogonal zur Nebenrichtung N orientiert.

[0055] Indem vorgesehen ist, dass die Basisfläche 2 zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Längsrippen 3 bzw. Längsrippenpaaren in Hauptrichtung H voneinander beabstandete Vertiefungen 5 aufweist, wobei die Vertiefungen 5 in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung H zumindest abschnittsweise, bevorzugt gänzlich, von zumindest einer oder beiden der Längsrippen 3 beabstandet sind, kann vorteilhaft eine weitere Reduzierung des Reibungswiderstandes erreicht werden.

[0056] Wie nachstehend dargelegt wurden Untersuchungen und Computersimulationen mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Riblet-Strukturen 1 durchgeführt, wobei im Besonderen eine Erstreckung, Form und/oder Ausdehnung von in die Basisfläche 2 bzw. Basisflächenabschnitte 4 eingebrachten Vertiefungen 5 untersucht wurden. Im Folgenden wird eine Auswahl von untersuchten Riblet-Strukturen 1 erläutert.

[0057] Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Riblet-Struktur 1 mit einem Grundaufbau gemäß Fig. 1, wobei zusätzlich in den jeweiligen zwischen den Längsrippen 3 eines jeweiligen Längsrippenpaares befindlichen Basisflächenabschnitt 4 in Hauptrichtung H voneinander beabstandete Vertiefungen 5 vorhanden sind. Die Vertiefungen 5 weisen einen rechteckigen Querschnitt bzw. einen rechteckigen Vertiefungsrand 6 auf. Die Vertiefungen 5 sind von den Längsrippen 3 des Längsrippenpaares beabstandet angeordnet. Eine solche Ausgestaltung hat sich als sehr effizient zur Erniedrigung des Reibungswiderstandes erwiesen. Zweckmäßig können die

Vertiefungen 5 jeweils entlang deren Tiefenrichtung T einen im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt oder kleiner werdenden Querschnitt aufweisen. Die Vertiefungen 5 bilden dann Ausnehmungen in Form eines Quaders. Fig. 6 und Fig. 7 zeigen schematische Darstellungen eines Ausschnittes der Riblet-Struktur 1 der Fig. 5, um die Riblet-Struktur 1 der Fig. 5 zu verdeutlichen, wobei Fig. 6 eine Sicht von schräg oben und Fig. 7 eine Draufsicht auf die Riblet-Struktur 1 der Fig. 5 darstellen.

[0058] Eine zur Riblet-Struktur 1 der Fig. 5 analoge Ausgestaltung einer Riblet-Struktur 1 ist schematisch in Fig. 8 gezeigt, wobei die Vertiefungen 5 jeweils einen dreieckigen Querschnitt bzw. dreieckigen Vertiefungsrand 6 aufweisen. Auch die Vertiefungen 5 in Fig. 8 sind von den beiden Längsrippen 3 des Längsrippenpaares beabstandet ausgebildet und können insbesondere mit entlang deren Tiefenrichtung T mit gleichbleibendem Querschnitt oder kleiner werdenden Querschnitt ausgebildet sein.

[0059] Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Riblet-Struktur 1 mit einem Grundaufbau gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 5, wobei die Vertiefungen 5 mit eckenfreien Vertiefungsrändern ausgebildet sind. Die Vertiefungen 5 können vorteilhaft Vertiefrungswände 7 aufweisen, welche als Rotationsflächen ausgebildet sind, üblicherweise mit Rotationsachsen in Tiefenrichtung T der Vertiefungen 5. Bewährt hat es sich, wenn die Vertiefungswände 7 der Vertiefungen 5 als Teil eines Rotationsellipsoides, bevorzugt einer Kugeloberfläche bzw. sphärisch, ausgebildet sind. Derart ausgestaltete Vertiefungen 5 sind besonders geeignet, um einen reduzierten viskosen Widerstand bei gleichzeitig niedrig gehaltenem Druckwiderstand umzusetzen. In Fig. 9 sind die Vertiefungen 5 im Wesentlichen als Teil einer Sphäre bzw. Kugeloberfläche ausgebildet. Fig. 10 und Fig. 11 zeigen schematische Darstellungen eines Ausschnittes der Riblet- Struktur 1 der Fig. 9, um die Riblet-Struktur 1 der Fig. 9 zu verdeutlichen, wobei Fig. 10 eine Sicht von schräg oben und Fig. 11 eine Draufsicht auf die Riblet-Struktur 1 der Fig. 9 darstellen.

[0060] Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Riblet-Struktur 1 mit einem Grundaufbau der Fig. 1, wobei der jeweilige zwischen den Längsrippenpaaren befindliche Basisflächenabschnitt 4 voneinander in Hauptrichtung H beabstandete Vertiefungen 5 aufweist, wobei die Vertiefungen 5 zwei in Hauptrichtung H orientierte Vertiefungsreihen bilden. Die Vertiefungsreihen sind in Richtung orthogonal zur Hauptrichtung H nebeneinander bzw. versetzt angeordnet, wie insbesondere in einer Sicht in Hauptrichtung H ersichtlich, wobei die Vertiefungsreihen in Hauptrichtung H zueinander versetzt bzw. verschoben angeordnet sind, üblicherweise um die Hälfte eines Abstandes zwischen zwei unmittelbar benachbarten Vertiefungen 5 einer der Vertiefungsreihen. Wie in Fig. 12 ersichtlich kann dadurch eine Referenzfläche des Basisflächenabschnittes 4, also ein Teil des Basisflächenabschnittes 4 ohne Vertiefungen 5, eine zwischen den beiden Reihen hin und her laufende Zick-Zack-Struktur bilden. Fig. 13 und Fig. 14 zeigen schematische Darstellungen eines Ausschnittes der Riblet-Struktur 1 der Fig. 12, um die Riblet-Struktur 1 der Fig. 12 zu verdeutlichen, wobei Fig. 13 eine Sicht von schräg oben und Fig. 14 eine Draufsicht auf die Riblet-Struktur 1 der Fig. 12 darstellen. Mit einer derartigen Ausgestaltung ist ein reduzierter viskoser Widerstand und gleichzeitig niedriger Druckwiderstand umsetzbar, sodass insbesondere im Vergleich zur Ausgestaltung gemäß Fig. 1 der Reibungswiderstand vorteilhaft reduzierbar ist. Der Druckwiderstand kann dabei üblicherweise nicht im gleichen Maße niedrig gehalten werden, wie bei einer Ausbildung der Vertiefungen 5 mit rotationsflächenförmigen Vertiefungswänden 7, wie etwa gemäß Fig. 9.

[0061] Fig. 15 zeigt eine schematische Darstellung einer Riblet-Struktur 1 mit einem Grundaufbau gemäß Fig. 1, wobei der Basisflächenabschnitt 4 in Hauptrichtung H voneinander beabstandete Vertiefungen 5 aufweist. Hierbei ist allerdings vorgesehen, dass sich die Vertiefungen 5 bis zu beiden Längsrippen 3 des jeweiligen Längsrippenpaares erstrecken, sodass sich in Hauptrichtung H eine Art sinus-förmiger Verlauf des Basisflächenabschnittes 4 ergibt. Fig. 16 und Fig. 17 zeigen schematische Darstellungen eines Ausschnittes der Riblet-Struktur 1 der Fig. 15, um die Riblet- Struktur 1 der Fig. 15 zu verdeutlichen, wobei Fig. 16 eine Sicht von schräg oben und Fig. 17 eine Draufsicht auf die Riblet-Struktur 1 der Fig. 15 darstellen. Bei einer solchen Form wurde zwar eine Reduzierung des Reibungswiderstandes gegenüber einer ebenen Fläche ohne RibletStruktur 1 erreicht, allerdings war der Reibungswiderstand höher als bei einer Riblet-Struktur 1

mit ebener Basisfläche 2 ohne Vertiefungen 5 gemäß Fig. 1.

[0062] Im Folgenden werden Simulationsergebnisse zu vorgenannten Ausgestaltungsvarianten dargelegt. Für die nachstehend angeführten Daten wurden 84 auf einer Basisfläche 2 angeordnete Längsrippen 3 mit einem Längsrippenspitzenabstand Rs zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Längsrippen 3 von 74 um und einer Längsrippenhöhe R; von 34 um verwendet. Als Fluid wurde Wasser mit einer Temperatur von 25 °C verwendet.

[0063] Für die Riblet-Strukturen 1 der Fig. 1 —- ohne Vertiefungen 5 —, Fig. 5 — rechteckige Vertiefungen 5 —, Fig. 8 — dreieckige Vertiefungen 5, Fig. 9 — sphärische Vertiefungen 5 —, Fig. 12 — dreieckige Vertiefungen 5 in zwei Reihen — und Fig. 15 — Vertiefungen 5 bis zu beiden Längsrippen 3 - sind nachstehend in Tabelle 1 die Ergebnisse für Widerstandskennwerte gegenüber dem entlang der Riblet-Struktur 1 in Hauptrichtung H strömenden Fluid angegeben. Dabei ergibt sich ein Gesamtwiderstand Ps als Summe von Druckwiderstand Pp und viskosem Widerstand Py. Weiter ist schließlich in Tabelle 1 die prozentuelle Reduktion des Reibungswiderstandes gegenüber einer ebenen Fläche ohne Riblet-Struktur 1 angegeben.

[0064] Wie in Tabelle 1 dargestellt ergibt sich für eine übliche Riblet-Struktur 1 der Fig. 1 ohne vorgesehene Vertiefungen 5 eine Reduktion des Reibungswiderstandes von 8,10 % gegenüber einer ebenen Fläche ohne Riblet-Struktur 1. Im Vergleich dazu werden durch die Riblet-Strukturen 1 der Fig. 5, Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 12 stärkere Herabsetzungen des Reibungswiderstandes erreicht. Während eine Riblet-Struktur 1 der Fig. 1 einen viskosen Widerstand und praktisch keinen Druckwiderstand aufweist, wird durch das Vorsehen von Vertiefungen 5 in den Basisflächenabschnitten 4 der viskose Widerstand reduziert, im Gegenzug jedoch ein Druckwiderstand erzeugt. Werden beide dieser Widerstände klein gehalten, ist eine Reduktion eines Reibungswiderstandes einer Riblet-Struktur 1 mit Vertiefungen 5 gegenüber einer Fläche ohne Riblet-Struktur 1 erreichbar, welche größer ist als bei einer Riblet-Struktur 1 der Fig. 1 ohne Vertiefungen 5.

[0065] Eine besonders vorteilhafte Reduktion des Reibungswiderstandes von 9,94 % ergibt sich bei der Riblet-Struktur 1 der Fig. 8 - im Querschnitt dreieckige Vertiefungen 5, welche von beiden Längsrippen 3 beabstandete Vertiefungen 5 aufweist. Bei der Riblet-Struktur 1 der Fig. 5 — im Querschnitt rechteckige Vertiefungen 5 — wird eine Reduktion des Reibungswiderstandes von 8,57 % und bei der Riblet-Struktur der Fig. 9 — Vertiefungen 5, welche als Teil einer Kugeloberfläche ausgebildete Vertiefungswände 7 aufweisen, — wird eine Reduktion des Reibungswiderstandes von 8,56 % gegenüber einer Fläche ohne Riblet-Struktur 1 erreicht. Bei der Riblet-Struktur 1 der Fig. 12 — dreieckige Vertiefungen 5 in zwei Reihen — ergibt sich eine Reduktion des Reibungswiderstandes von 9,53 %. Mit der Riblet-Struktur 1 der Fig. 15 — Vertiefungen 5, welche sich bis zu beiden Längsrippen 3 erstrecken — konnte hingegen nur 7,22 % Reduktion des Reibungswiderstandes gegenüber einer Fläche ohne Riblet-Struktur 1 erreicht werden, also weniger Reduktion als bei einer Riblet-Struktur 1 der Fig. 1 ohne Vertiefungen 5.

[0066] Tabelle 1: Simulationsergebnisse eines Reibungswiderstandes der Riblet-Strukturen 1 der Fig. 1 — ohne Vertiefungen 5 —, Fig. 5 —- rechteckige Vertiefungen 5 —, Fig. 8 — dreieckige Vertiefungen 5 —, Fig. 9 —- sphärische Vertiefungen 5 —, Fig. 12 — dreieckige Vertiefungen 5 in zwei Reihen — und Fig. 15 — Vertiefungen 5 bis zu beiden Längsrippen 3 — mit Pp dem Druckwiderstand, Pv dem viskosen Widerstand, Ps dem Gesamtwiderstand (Pp+Pv) und AR der prozentuellen Änderung des Reibungswiderstandes gegenüber einer ebenen Fläche ohne Riblet-Struktur 1.

Pr (N) Py (N) Ps (N) AR (%) Struktur Fig. 1 [0 0,00097968 0,00097968 -8,10 Struktur Fig. 5 | 0,00003456 0,00094015 0,00097471 -8,57 Struktur Fig .8 | 0,00004348 0,00091659 0,00096007 -9,94 Struktur Fig. 9 | 0,00001435 0,00096040 0,00097474 -8,56 Struktur Fig. 12 | 0,00003463 0,00092976 0,00096440 -9,53 Struktur Fig. 15 | 0,00000448 0,00098458 0,00098906 -7,22

[0067] Fig. 18 zeigt einen Graphen, in welchem der Reibungswiderstand für unterschiedliche Riblet-Strukturen 1 positionsabhängig in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung H dargestellt ist. Linie 10, als strichpunktierte Linie dargestellt, zeigt den Reibungswiderstand für eine Riblet-Struktur 1 ohne Vertiefungen 5 gemäß Fig. 1. Ersichtlich sind periodische Spitzen der Linie 10, welche zu den Längsrippen 3 der Riblet-Struktur 1 korrespondieren. Jeweils zwischen den Spitzen bildet die Linie 10 einen Talverlauf mit leichter parabolförmiger Erhöhung des Reibungswiderstandes mittig zwischen benachbarten Spitzen. Linie 11, als punktierte Linie dargestellt zeigt den Reibungswiderstand für eine Riblet-Struktur 1 mit rechteckigen Vertiefungen 5 gemäß Fig. 5. und Linie 12, als durchgezogene Linien dargestellt, zeigt den Reibungswiderstand für eine RibletStruktur 1 mit sphärischen Vertiefungen 5 gemäß Fig. 9. Die Linien 11 und 12 weisen ebenfalls eine Grundform der Linie 10 auf, wobei im Unterschied zur Linie 10 die Spitzen der Linien 11 und 12 eine geringere Höhe aufweisen und in der Mitte zwischen den Spitzen ein Abfall bzw. eine Vertiefung des Reibungswiderstandes in der Linie 11 und Linie 12 vorhanden ist. Dies korrespondierend zu den Vertiefungen 5 der Riblet-Strukturen 1 der Fig. 5 bzw. Fig. 9, und der durch die Vertiefungen 5 bewirkten Reduktion des Gesamtwiderstandes. Zum Vergleich zeigt der Graph der Fig. 18 mit der Linie 9, als strichlierte Linie dargestellt, außerdem einen Reibungswiderstand bei einer ebenen Fläche ohne Riblet-Struktur 1. Die Linie 9 zeigt einen konstanten Reibungswiderstand entlang der Oberfläche.

[0068] Fig. 19 bis Fig. 21 zeigen Konturdiagramme für einen mittleren Reibungswiderstand von unterschiedlichen Riblet-Strukturen 1, wobei der Reibungswiderstand durch Graustufen repräsentiert wird. Fig. 19 zeigt eine Riblet-Struktur 1 gemäß Fig. 1 — ohne Vertiefungen 5 —, Fig. 20 eine Riplet-Struktur gemäß Fig. 5 — rechteckige Vertiefungen 5 — sowie Fig. 9 eine Riblet-Struktur 1 gemäß Fig. 9 — sphärische Vertiefungen 5. Ersichtlich in den Konturdiagrammen ist — korrespondierend zum Graphen der Fig. 18 —, dass zwischen den Längsrippen 3 ein reduzierter mittlerer Reibungswiderstand vorliegt. Die rechteckigen Vertiefungen 5 der Riblet-Struktur 1 gemäß Fig. 5 korrespondieren in Fig. 20 mit rechteckigen dunklen Bereichen eines besonders reduzierten Reibungswiderstandes und die sphärischen Vertiefungen 5 der Fig. 9 korrespondieren in Fig. 21 mit kreisförmigen dunklen Bereichen eines besonders reduzierten Reibungswiderstandes. Die in Fig. 21 zwischen den kreisförmigen dunklen Bereichen liegenden hellen Bereiche entsprechen außBerdem einem kleineren Reibungswiderstand als die zwischen den rechteckigen dunklen Bereichen liegenden hellen Bereiche der Fig. 20. Dies korrespondiert zu der Feststellung eines besonders reduzierten Reibungswiderstandes bei sphärischen Vertiefungen 5 bzw. Vertiefungen 5 mit eckenfreiem Vertiefungsrand 6.

[0069] Mit einer Riblet-Struktur 1, wobei die Riblet-Struktur 1 mehrere von einer Basisfläche 2 abragende in Hauptrichtung H orientierte voneinander beabstandete Längsrippen 3 aufweist, kann damit ein vorteilhaft kleiner Reibungswiderstand der Riblet-Struktur 1 gegenüber eines entlang der Riblet-Struktur 1 in Hauptrichtung H strömenden Fluids erreicht werden, indem zwischen jeweils zwei benachbarten Längsrippen 3 bzw. Längsrippenpaaren die Basisfläche 2 bzw. der Basisflächenabschnitt 4 voneinander beabstandete Vertiefungen 5 aufweist, wobei die Vertiefungen 5 in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung H von zumindest einer, bevorzugt beiden, Längsrippen 3 beabstandet sind. Dadurch kann sowohl ein viskoser Widerstand reduziert als auch ein Druckwiderstand klein gehalten werden, sodass eine ausgeprägte Reduktion eines Reibungswiderstandes der Riblet-Struktur 1 erreichbar ist. Dies gilt besonders, wenn die Vertiefungen 5 einen ausgeprägten Abstand zu beiden Längsrippen 3 aufweisen und bevorzugt mittig zwischen den Längsrippen 3 positioniert sind. Eine Ausbildung der Vertiefungen 5 mit einem rechteckigen Querschnitt oder mit einer Vertiefungswand 7, welche ein Teil eines Rotationsellipsoides, bevorzugt einer Sphäre bzw. Kugeloberfläche, ist, hat sich als besonders günstig erwiesen, um einen kleinen Reibungswiderstand zu erreichen.

Claims (15)

Patentansprüche

1. Riblet-Struktur (1) für eine Oberfläche zur Herabsetzung eines Reibungswiderstandes gegenüber einem in einer Hauptrichtung (H) entlang der Oberfläche strömenden Fluid, wobei die Riblet-Struktur (1) mehrere von einer Basisfläche (2) abragende in Hauptrichtung (H) orientierte voneinander beabstandete, insbesondere keilförmige, Längsrippen (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei benachbarten Längsrippen (3) die Basisfläche (2) in Hauptrichtung (H) voneinander beabstandete Vertiefungen (5) aufweist, welche Vertiefungen (5) in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung (H) zumindest abschnittsweise, bevorzugt gänzlich, von zumindest einer oder beiden der Längsrippen (3) beabstandet sind.

2. Riblet-Struktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5), insbesondere in Hauptrichtung (H), mit einer sich wiederholenden Ordnungsstruktur ausgebildet sind.

3. Riblet-Struktur (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Draufsicht auf die Basisfläche (2) in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung (H) ein durchschnittlicher Abstand zwischen zumindest einer der beiden Längsrippen (3) und einem dieser Längsrippe (3) zugewandten die jeweilige Vertiefung (5) begrenzenden Vertiefungsrandabschnitt mehr als 5 % eines durchschnittlichen Abstandes zwischen den Längsrippen (3) beträgt.

4. Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt parallel zur Basisfläche eine durchschnittliche Längserstreckung der Vertiefung in Hauptrichtung maximal 1,5-mal, insbesondere maximal 1,2-mal, so groß wie eine durchschnittliche Breitenerstreckung der Vertiefung in einer Richtung orthogonal zur Hauptrichtung ist.

5. Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) zwischen den beiden Längsrippen mehrere in Hauptrichtung (H) orientierte Vertiefungsreihen bilden.

6. Riblet-Struktur (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungsreihen in Hauptrichtung (H) zueinander versetzt angeordnet sind, bevorzugt jeweils um einen halben Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen (5) einer benachbarten Reihe.

7. Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung (5) entlang einer Tiefenrichtung (T) der Vertiefung (5) überwiegend eine gleichbleibende Querschnittsfläche aufweist.

8. Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung (5) in einem Querschnitt eckenfrei, insbesondere oval oder rund, geformt ist oder mehreckig, insbesondere dreieckig oder viereckig, geformt ist.

9. Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung (5) eine die Vertiefung (5) bildende Vertiefungswand (7) aufweist, welche zumindest abschnittsweise als Rotationsfläche, insbesondere mit einer Rotationsachse in Tiefenrichtung (T) der Vertiefung (5) ausgebildet ist.

10. Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung (5) in Tiefenrichtung (T) mit einem ersten Vertiefungsbereich und einem diesen nachgelagerten zweiten Vertiefungsbereich gebildet ist, wobei der erste Vertiefungsbereich einen kleineren Durchmesser als der zweite Vertiefungsbereich aufweist, bevorzugt ein Durchmesser des ersten Vertiefungsbereiches kleiner als 80 % eines Durchmessers des zweiten Vertiefungsbereiches ist.

11. Riblet-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Vertiefungen (5) über zumindest einen fluidleitfähigen Verbindungskanal miteinander verbunden sind.

12. Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet dass eine Längsrippenhöhe (R-,) der Längsrippen (3) und/oder ein Längsrippenabstand (Rp) zwischen den Längsrippen (3) kleiner als 250 um, insbesondere kleiner als 100 um, ist.

13. Oberfläche eines Bauteiles, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine RibletStruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.

14. Verwendung einer Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Oberfläche bei einem Bauteil, insbesondere einer Oberfläche nach Anspruch 13, um eine Reibung zwischen der Oberfläche und einer Gasströmung, insbesondere Luftströmung, und/oder Flüssigkeitsströmung, insbesondere Wasserströmung, zu reduzieren.

15. Verfahren zur Herstellung einer Riblet-Struktur (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Riblet-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, wobei die Riblet-Struktur (1) mit Prägung oder abtragender Bearbeitung einer Oberfläche in die Oberfläche eingebracht wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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