Widerstandsreduktion für Innenströmungen durch 'gedimpelte Oberflächen'

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Breuer
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2005 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5448719

Zur Widerstandsreduktion von wandgebundenen turbulenten Strömungen wurde vor einiger Zeit die Dimple Technik vorgeschlagen. Dies sind neuartige Oberflächenstrukturen in Form von flachen Dellen, welche die wandnahe Strömung beeinflussen. Das Ziel des vorliegenden Antrags ist es, den sogenannten Dimple Effekt für Innenströmungen zu untersuchen. Hierzu sollen einerseits direkte numerische Simulationen (DNS) für gedimpelte Kanäle zum Einsatz kommen und andererseits experimentelle Untersuchungen im Flachkanal des LSTM Erlangen für die gleiche Geometrie durchgeführt werden. Das endgültige Ziel ist es, den zugrundeliegenden physikalischen Mechanismus aufzuklären. Hintergrund der Arbeiten bildet ein bisher nicht verstandener Effekt, der das Design sowohl von Schiffen, Fahr- und Flugzeugen aber auch die Gestaltung von Wandungen von Rohr- und Kanalsystemen revolutionieren könnte. Experimentell konnte für Außenströmungen bereits nachgewiesen werden, dass durch spezielle Mulden in der Oberfläche eines turbulent umströmten Körpers der Strömungswiderstand dramatisch (kleiner als 20%) gesenkt werden kann. Die praktische Umsetzung dieser Technik, auch für Innenströmungen durch Kanäle und Rohre, hätte gewaltige Einsparmöglichkeiten bezüglich des Energieverbrauchs beispielsweise in vielen Anlagen der Verfahrenstechnik zur Folge. Bisher fehlt jedoch noch jegliches Verständnis, wie die Reduktion des Strömungswiderstands zu Stande kommt. Ferner ist der Nachweis noch nicht erbracht, dass der Effekt auch für Innenströmungen funktioniert. Fragen der Grundlagenuntersuchungen und der Nutzung in Innenströmungen sollen durch den vorliegenden Antrag beantwortet werden. Geplant sind hierzu DNS-Berechnungen einer gedimpelten Kanalströmung, die erlauben, die physikalischen Vorgänge in der Umgebung der Dimples im Detail zu studieren und die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen der auftretenden Reibungsminderung aufzuklären. Parallel dazu durchzuführende experimentelle Untersuchungen sind bei dieser Studie unverzichtbar, da sie einerseits die Basis für die Verifikation der Simulationen liefern und andererseits deutlich einfacher und schneller gestatten, Parametereinflüsse (z.B. Reynolds-Zahl) auf die Druckverlustreduktion zu bestimmen. Nur wenn der Mechanismus im Detail verstanden wird und alle Einflussfaktoren bekannt sind, kann er optimal in praktischen Anwendungen zur Reduktion des Energieverbrauchs eingesetzt werden.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Hermann Lienhart