DE19631537C2 - Grenzschichtprofil für Flüssigkeiten und/oder Gase - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Grenzschichtprofil für Flüssigkeiten und/oder Gase.

Wie bekannt, sind fast alle Projekte am oder im Wasser der Hydrodynamik und somit der Wasserreibung ausgesetzt. Durch Verwirbelungen bzw. Turbulenzen des Wassers an der Objektoberfläche, z. B. einem Schiffsrumpf, entsteht der sogenannte Strömungswiderstand, der die Gleitfähigkeit der Objekte im Wasser herabsetzt und so die Reibung zwischen Wasser und Objektoberfläche vergrößert (Physik für Techniker/Heywang-Nücke-Timm/­ Handwerk und Technik / S. 149-151). Das bedeutet, daß jedes Objekt am oder im Wasser einen Strömungswiderstand besitzt, der durch den Widerstandsbeiwert (c_W-Wert) ausgedrückt wird. Verringert man daher den c_W-Wert eines Objekts, so verringert sich auch der Strömungswiderstand.

Mit dem US-Forschungsbericht A/AA-Paper 84-0347 Jan. 1984, Seiten 1-7 sind Rillenkonfigurationen unterschiedlicher Querschnittsformen für Flugzeugtragflügel und -rümpfe bekannt geworden. Diese feinen Rillenkon­ figurationen, auch Riblets genannt, die als sogenannte Kunststoffstruk­ turfolien auf Tragflügeln von Flugzeugen aufgebracht werden, haben aber eine Rillenbreite bzw. einen Abstand benachbarter Rippen im Durchschnitt von 0,5 mm und eine Rillenhöhe zwischen 0,05-0,5 mm, befinden sich daher im Mikrometerbereich. Auch sind in den dargestellten Modellen keine näheren Angaben über die genaue Form der Spitzen und Krümmungen gemacht. Weiterhin findet sich keine Beschreibung, wie Rippen und Rillen im Querschnitt geometrisch genau verbunden werden sollen. Dies hängt bei den bekannten Rillenprofilen vom Zufall oder besser gesagt von der Herstellungsmethode der Rippen ab. Die Ergebnisse dieser Testreihen sind daher aufgrund verschiedener Herstellungsverfahren und unterschiedlichster Rippen- und Rillengeometrien der Riblets im Mikrometerbereich sehr verschieden. Sie zeichnen sich insbesondere in hydrodynamischen Strömungen durch eine nur geringe Verminderung des Strömungswiderstandes aus.

Durch die DE-PS 35 34 293 ist eine Einrichtung zur Verringerung des strömungsmechanischen Reibungswiderstandes und Verfahren zu deren Herstellung bekannt geworden. Die Rillenbreiten S der Gegenstände dieser Veröffentlichung sind jedoch in allen Fällen deutlich kleiner als die in dem oben genannten US-Forschungsbericht, nämlich unter 0,25 mm. Desweiteren werden Dreieck-, Wirr- und sogar Querrillenfelder vorgeschla­ gen, die in Strömungsrichtung Bremswirkungen ausüben und sich nachteilig auf den c_W-Wert auswirken. Damit treten die oben genannten Nachteile bei hydrodynamischen Strömungen bei dieser Einrichtung in noch größerem Maße auf, d. h. die Spitzen der Rippen und die Konfiguration der Rillen sind nicht genau festgelegt, um eine saubere stets wiederholbare Grenzschichtausbildung zu gewährleisten.

Hier setzt die Erfindung an, indem sie eine spezielle Rillen-Rippenkon­ figuration angibt, die insbesondere bei hydrodynamischen Systemen den Strömungswiderstand jedes einzelnen Objekts entscheidend verringert und fertigungstechnisch von der Geometrie her leicht wiederholbar und nahezu identisch herstellbar ist. Dabei sollen die Spitzen der Rillenkuppen auch bei höheren Rippen eine Verletzungsgefahr weitgehend ausschließen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß konvexe äußere Rillenkuppen die Form einer Parabel mit einer frei wählbaren Basisbreite b aufweisen, daß die Höhe der Parabel h' 1/3 der gesamten Rillenhöhe h und diese dem 3,33-fachen der Basisbreite b entspricht und daß sich der Rillenabstand a aus der Differenz von gesamter Rillenhöhe h und Basisbreite b ergibt.

Durch diese spezielle Oberflächenkonfiguration eines Objekts, z. B. eines Kajakrumpfes, wird bei gleichem bzw. geringerem Energieaufwand die Gleitfähigkeit verbessert. Durch das erfindungsgemäße Rillenprofil der Rumpfoberfläche eines Kajaks werden die Turbulenzen des Wassers in lineare Strombahnen gezwungen, so daß sich das Wasser nicht mehr in turbulenten Strömungen über die glatte ebene Rumpfoberfläche fortbewegen kann, sondern nur noch in geradlinigen Bahnen. Dadurch wird die Reibung an der ehemals glatten und extra polierten Oberfläche abgemindert und das Rillenprofil wirkt wie ein Schienen- oder Kufengleis, welches die Angleichung der sehr unterschiedlichen Strömungszustände übernimmt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung werden Ausführungsbeispiele näher abgehandelt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 obere Bildhälfte den Stand der Technik eines polierten glatten Kajakrumpfes halbaufgeschnit­ ten im Querschnitt,

Fig. 1 untere Bildhälfte einen Kajakrumpf halbaufgeschnitten im Querschnitt mit einem Rillenprofil und

Fig. 2 das in Fig. 1 untere Bildhälfte darge­ stellte Detail A eines Querschnitts mit mehreren Rillen in der Vergößerung.

In der oberen Bildhälfte von Fig. 1 ist der Stand der Technik in Form eines polierten glatten Kajakrumpfes dargestellt. An seiner noch so glatten Oberfläche treten im Wasser bei schneller Fahrt Verwirbelungen auf, die eine hohe Reibung verursachen.

In der unteren Bildhälfte von Fig. 1 ist dagegen ein erfindungsgemäßer Kajakrumpf halbaufgeschnitten im Querschnitt mit Rillen in Längsrichtung dargestellt. Dieses Rillenprofil erstreckt sich vom Kiel jeweils bis zu den oberen Seitenkanten des Kajaks und bewirkt eine Verminderung der Verwirbelungen und damit eine Reibungsverminderung des Kajaks im Wasser. Da ein Kajak relativ oft geschultert werden muß, besteht bei den später noch näher beschriebenen abgeflachten Rillenkuppen des erfindungsgemäßen Rillenprofils keine Verletzungsgefahr für den Kajakführer.

In Fig. 2 ist das Detail A des Querschnitts mit mehreren Rillen aus Fig. 1 untere Bildhälfte in starker Vergrößerung dargestellt. Man erkennt, daß das turbulente an das linear fließende Wasser anschließt, wobei ein innerer Trennbereich des Wassers erzeugt wird und daher Wasser an Wasser wie ein Wasserkissen reibt, wodurch sich eine Verminderung der Reibung am gesamten Kajakrumpf ergibt. Die Basisbreite b der parabelförmigen Rippenkuppe kann für eine optimale Verminderung des Strömungswiderstandes des Kajaks frei gewählt werden. Die gesamte Rippen- bzw. Rillenhöhe h ergibt sich dann nach der in Fig. 2 angegebenen Formel durch Multiplika­ tion der Basisbreite b mit dem Faktor 3,33. Die Höhe der parabelförmigen Rillenkuppe Parabelhöhe h' beträgt nach der gleichfalls in Fig. 2 angegebenen Formel 1/3 der Rillenhöhe h. Der Rillen- bzw. Kuppenabstand a folgt aus der Differenz zwischen der Rillenhöhe h und der zuvor freigewählten Basisbreite b.

Das so aufgebaute Grenzschichtprofil ist selbstverständlich nicht auf Schiffshautoffoberflächen von Kajaks beschränkt anwendbar, sondern kann ebenso günstig bei Schiffen, Booten, Surfbrettern, Skiern oder Snowboards Anwendung finden.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung können an Oberflächen von Rennwagen, Motorrädern, Bahnen und Hochgeschwindigkeitszügen vorge­ nommen werden. Dies spart Energie für den Antrieb derartiger Fahrzeuge.

Auch Oberflächen von Tauch-, Sprint-, Schwimm- oder Motorradanzüge können in vorteilhafterweise mit dem erfindungsgemäßen Grenzschichtprofil versehen werden. Dies erhöht insbesondere bei Tauchanzügen die Sicherheit und den Wirkungskreis des den Anzug tragenden Sportlers.

Schließlich kann die Erfindung auch nutzbringend an Brückenpfeilern, deren Fundamente und Sockel in Flüssen oder Meeren stehen, Anwendung finden. Dabei bietet sich bei Brückenpfeilern aus Beton die Ausbildung der Erfindung schon bei der Bearbeitung der Schalung an. Damit können die höheren Kosten der Bearbeitung des fertigen Betons eingespart werden und der Brückenpfeiler hat eine längere Lebensdauer als herkömmliche glatte Brückenpfeiler.

Auch bei Rohrleitungen kann das Genzschichtprofil an der Oberfläche des Innendurchmessers in Fließrichtung d. h. hauptachsenparallel mit Vorteil angewendet werden. Dabei verringert sich die sonst notwendige Pumpleistung in den Rohrsystemen, was wiederum zu entsprechenden Energieeinsparungen führt.

Claims (7)

1. Grenzschichtprofil für Flüssigkeiten und/oder Gase mit einer in Fließ­ richtung im wesentlichen hauptachsparallel als Rillenprofil ausgebil­ deten Objektoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß konvexe äußere Rillenkuppen die Form einer Parabel mit einer frei wählbaren Basisbrei­ te b aufweisen, daß die Höhe der Parabel h' 1/3 der gesamten Rillen­ höhe h und diese dem 3,33-fachen der Basisbreite b entspricht und daß sich der Rillenabstand a aus der Differenz von Rillenhöhe h und Basisbreite b ergibt.

2. Grenzschichtprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Schiffen und Booten jeglicher Art, z. B. Kajaks.

3. Grenzschichtprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Surfbrettern, Skiern oder Snowboarden.

4. Grenzschichtprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Fahrzeugkarosserien wie z. B. Rennwagen, Motorrädern, Bahnen und Hochgeschwindigkeitszügen.

5. Grenzschichtprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Tauch-, Sprint-, Schwimm- oder Motorradanzügen und Badekappen.

6. Grenzschichtprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Brückenpfeilern, deren Fundamente und Sockel in Flüssen oder Meeren stehen.

7. Grenzschichtprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Rohrleitungen an der Oberfläche des Innendurchmessers.