DE3034321A1

DE3034321A1 - Surface structure of a surface adapted for movement relative to a fluid

Info

Publication number: DE3034321A1
Application number: DE803034321A
Authority: DE
Inventors: A Malmstroem
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-02-13
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1981-03-26
Also published as: WO1980001673A1; EP0024069A1; SE7901244L; JPS56500564A

Description

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenstruktur für eine im Verhältnis zu einem Fluid sich bewegende Oberfläche.

Es wird allgemein angesehen, dass eine im Verhältnis zu einem Fluid sich bewegende Oberfläche so glatt wie möglich sein soll. Ein wohlbekanntes Beispiel ist das sorgfältige Schleifen und Polieren von der Aussenseite des Bootskörpers, das der Segler vornimmt. Das gleiche gilt für den Flüssigkeitstransport in Rohren, wo man sich darum bemüht, die Innenseite der Rohre möglichst glatt zu machen, um - wie man meint - die Reibungsverluste zu vermindern. Diese Auffassung ist falsch, denn eine gewisse Rauhigkeit vermindert die Reibungsverluste.

Bei verschiedenen Gelegenheiten hat man auch versucht, besonders Schiffsflächen rauh zu machen um die Reibungsverluste zu vermindern. So kann man nach GB-PS 357 637 vom 27. Juni 1930 einen Schiffskörper mit einem Belag von raspelzahnartigen Gebilden versehen. Hier hatte man den richtigen Weg eingeschlagen, ein Erfolg wurde indessen nicht erzielt, und zwar wegen der komplizierten Gebilde und vielleicht wegen der Schwierigkeit, einen Schiffskörper mit Platten dieser Art zu bekleiden.

Den richtigen Weg hat auch NSA Langley Research Center, Hamton, Viriginia, USA, gemäss einem Bericht von M.J. Walsh and L.M. Weinstein betitelt "Drag and Heat Transfer on Surfaces with small longitudinal Fins" (Seattle, Washington, July 10-12, 1978) eingeschlagen. Nach diesem Aufsatz wird im Querschnitt beispielsweise dreieckige Flossen längs einer Oberfläche angeordnet, die sich in einem Fluid bewegt. Unter "longitudinal" ist hier in der Bewegungsrichtung der Oberfläche gerichtet zu verstehen. Eine gewisse Verbesserung wird durch diese An-Ordnung im Verhältnis zu einer glatten Oberfläche erzielt, die Reibung kann aber in bedeutend höherem Grade

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reduziert werden.

Zur Erläuterung der Aktivität an einer im Verhältnis zu einem Fluid sich bewegenden Oberfläche sei hier auf die Bewegung eines Schiffes in Wasser hingewiesen.

Die Bewegung des Schiffes wird aus verschiedenen Gründen abgebremst, von denen einer der Reibungswiderstand ist, welcher in zwei Formen wirkt, und zwar laminare Reibung einerseits und durch Turbulenz bewirkte Reibung andererseits. Der turbulente Widerstand beruht letzten Endes auf einer zur Bewegungsrichtung querlaufenden Strömung und ist pro Flächeneinheit weitaus grosser als der laminare Widerstand. Ideal wäre, wenn die Wasserströmung längs der Oberfläche laminar gehalten werden könnte, und die einzige Abweichung von der Geraden wäre das Folgen des Wassers längs der Bootskörperfläche .

Derjenige Teil der turbulenten Wasserschicht, der sich der Bootskörperfläche am nächsten befindet, ist früher als laminare Unterschicht bezeichnet worden, diese Schicht weist aber gemäss neuerer Forschung eine intensive turbulente Aktivität auf. Die laminare Reibung und die geringste Unregelmässigkeit, auch eine mikroskopische Unregelmässigkeit in der Oberfläche - sowie auch verschiedene Abstände zu dieser Oberfläche - erteilen den verschiedenen Wasserteilchen oder Teilchengruppen verschiedene Geschwindigkeit. Dabei bewegen sich die verschiedenen Schichten nicht abgesondert voneinander, sondern es erfolgt stets ein gewisser Austausch von Teilchengruppen mit verschiedener Geschwindigkeit. In der Berührung, der Reibung, zwischen Teilchen mit verschiedener Geschwindigkeit entsteht ein verschiedener Grad von "Gedränge" in verschiedenen Bereichen. In Bereichen mit höherem Gedränge entsteht ein höherer Druck,

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/λ-

welcher in anderen Bereichen sein Gegenstück in einen geringeren Druck hat. Diese primäre Gedrängewirkung zwingt die Teilchen in verschiedenen Richtungen hinaus, was seinerseits weitere Unterschiede in der Gedrängeintensität ergibt.

Wenn ein Ueberdruck in einem Bereich ausgeglichen werden soll, folgt daraus, dass die Teilchengruppen, die die geringste "lebendige Kraft" besitzen (Niedriggeschwindigkeitsstriche) und deswegen die ringste Zentripetalkraft für eine Richtungsänderung erfordern, ihre Richtung ändern, während die Teilchengruppen, die eine höhere Geschwindigkeit haben, einen geringeren Druck nach den Seiten hin ausüben (Bernoullisches Theorem), weshalb die Teilchen von niedrigerer Geschwindigkeit und von höherem Druck dazu neigen in den Bereich von geringerem Druck zu strömen. Da weder Wasser noch Luft in Geschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit komprimiert oder verdünnt wird, wird jede solche querlaufende Strömung durch eine Rückströmung kompensiert. Die Gesamtwirkung dieser Phänomene ergeben Strömungen, die zu der Hauptbewegungsrichtung einen Winkel bilden.

Man hat gefunden, dass die Intensität dieser Strömungen eine gewisse Intermittenz aufweist, was zu wiederholten "Ausbrüchen" führt. Diese Ausbrüche werden als "bursts" bezeichnet und bewirken den Hauptteil der gesamten Turbulenzproduktion.

Das es "spritzt", wenn man einen Wasserstrahl gegen eine Fläche richtet, bedeutet nicht, dass gewisse Wasserteilchen "abprallen", sondern das sie mit mehr oder weniger grosser Kraft von der Fläche durch den .Ueberdruck hinausgepresst werden, den das Gedränge zwischen den Teilchen zustandebringt, wenn sie auf die Fläche

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auftreffen und längs ihr zerstreut werden. Dieser Ueberdruck und somit dieses Gespritze stellt grundsätzlich die gleiche "Gedrängewirkung" dar wie bei Strömung längs einer Oberfläche, wobei die verschiedenen Grade von dabei entstehenden Druckunterschieden "bursts" bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese querlaufenden Strömungen und somit die Aufladung zu "bursts" mit Hilfe einer solchen Oberflächenstruktur zu verhindern, dass die Teilchen, wenn sie längs der Oberfläche "gleiten", anderen Oberflächen - also nicht beliebigen Unregelmassigkeiten - unter einem Winkel begegnen, der eine so weitgehende Abbremsung ihrer Geschwindigkeit wie möglich ergibt, und dass die Teilchen, in dem Masse wie sie nicht angehalten worden sind, sondern ihre Richtung mit herabgesetzter Geschwindigkeit geändert haben, einerseits anderen Flächen und andererseits einander vorzugsweise von entgegengesetzten Richtungen her begegnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsmässig dadurch gelöst, dass die Oberfläche eine Struktur aufweist, die aus zumindest zwei sich kreuzenden Strichsystemen besteht, die mit der Bewegungsrichtung Winkel bilden. Demzufolge kann man, wenn die optimale Wirkung dieser serienmässigen Geschwindigkeitsabbremsung erreicht wird, die intensive turbulente Aktivität in unmittelbarer Nähe der Oberfläche dämpfen oder "töten", so dass diese innerste Schicht gegen eine verhältnismässig ruhige Schicht ·ausgetauscht wird, wo keine "bursts" vorkommen.

Die erfindungsmässige Oberflächenstruktur kann aus Strichen von Dämmen aufgebaut werden. Vorkommendenfalls können die Dämme gegen Rinnen ausgetauscht werden, in denen das Wasser dabei mit niedrigerer Geschwindigkeit und höherem Druck (Bernoullisches Theorem) als in der

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sie kreuzenden Strömung strömt.

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

Die Zeichnung zeigt einen Abschnitt einer Oberfläche 10, z.B. eine Fläche eines Schiffes oder eines Flugzeuges, gegen welche das Wasser bzw. die Luft strömt, oder die Innenfläche einer Rohrleitung zum Transport von Flüssigkeiten oder Gasen. Die Oberfläche weist zwei sich kreuzende Striche von zueinander parallelen Dämmen oder Rippen 11 und 12 auf, die zusammen ein Netzwerk bilden. Die relative Bewegungsrichtung zwischen der Oberfläche 10 und der Flüssigkeit oder dem Gas ist durch einen Pfeil 13 angegeben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kreuzen sich die beiden Striche unter einem rechten Winkel, auch andere Kreuzungswinkel sind aber möglich. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden ferner die Striche Winkel von 45 bzw. -45 zur Bewegungsrichtung, die aber gleichfalls nicht kritische Werte sind. Wie bereits erwähnt, brauchen die Striche nicht notwendigerweise die Form von Dämmen zu haben, sondern können auch aus sich kreuzenden Kanälen oder Rinnen bestehen. Die Höhe der Rippen bzw. die Tiefe der Rinnen können innerhalb von gewissen Grenzen variieren, und es hat sich gezeigt, dass eine vollgute Wirkung mit einer Höhe bzw. einer Tiefe von weniger als 1 mm erreicht werden kann.

In der Zeichnung sind ferner kontinuierliche Rippen gezeigt, die gewünschte Wirkung lässt sich jedoch auch mit diskontinuierlichen Rippen, d.h. Reihen von in Abständen untereinander angeordneten Erhöhungen, erzielen. Das gleiche gilt selbstverständlich, wenn die Striche aus Rinnen bestehen.

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Es leuchtet ein, dass die erfindungsmässige Oberflächenstruktur 10 in der Herstellung ausserordentlich einfach ist, was eine Voraussetzung für ihre Anwendung in der Praxis ist. Rein praktisch können somit Rippen oder Rinnen in den Oberflächen, die vom Wasser bzw. Gas bestrichen werden, durch einfache mechanische Bearbeitung vorgesehen werden. Es ist jedoch auch möglich, die Rippen oder Rinnen in formgepressten Folien auszubilden, die an den Oberflächen angeleimt oder anderswie befestigt werden.

Durch Anwendung der Erfindung wird eine einfache und wirksame Oberflächenstruktur in der Form eines Netzwerkes erreicht, welches in hohem Grade "bursts" verhindert, indem der Aufladung derselben zu Ausbrüchen vorgebeugt wird. Demzufolge wird der Reibungswiderstand bei einer relativen Bewegung der infragestehenden Art reduziert, was bedeutet, dass die Motorleistung z.B. eines Schiffes beträchtlich herabgesetzt werden kann, ohne dass die Bewegungsgeschwindigkeit vermindert wird. Durch die Anwendung der Erfindung werden demnach bedeutende Energieersparnisse ermöglicht.

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Claims

Patentansprüche

Oberflächenstruktur für eine im Verhältnis zu einem Fluid sich bewegende Oberfläche, dadurch g e k e η η ze ichnet, dass die Struktur zumindest zwei sich kreuzende Strichsysteme (11, 12) aufweist, die zur Bewegungsrichtung Winkel bilden.
2. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Strichsysteme (11, 12) etwa senkrecht kreuzen.
3. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, dadurch g e kenn ze i chnet, dass die beiden Strichsysteme Winkel von etwa +45° bzw. -45° zur Bewegungsrichtung

(13) bilden.
4. Oberflächenstruktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die beiden Strichsysteme (11, 12) von zueinander parallelen Rippen gebildet werden.

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5. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strichsysteme (11, 12) von zueinander parallelen Rinnen gebildet werden.
6. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strichsysteme (11/ 12) von in Abständen untereinander angeordneten, langgestreckten Erhöhungen gebildet werden.
7. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strichsysteme von in Abständen .untereinander angeordneten, langgestreckten Vertiefungen gebildet werden.
8. Oberflächenstruktur nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen oder Erhöhungen eine Höhe bzw. die Rinnen oder Vertiefungen eine Tiefe von weniger als 1 mm haben.