Fläche zum Anordnen in einem strömenden Fluid, Verwendung einer solchen Fläche sowie ein Verfahren zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Fläche zum Anordnen in einem strömenden Fluid (13, 34, 45, 54) mit einer Oberflächenebene (11, 25, 37, 51), und mit Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes. Um eine in Strömungsrichtung des Fluids (13, 34, 45, 54) länger laminare Grenzschicht und einen verringerten Strömungswiderstand für die Fläche zu realisieren, ist die Fläche dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung eines rotierbaren Rotationsmittels (16, 29) in der Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) ausgebildet ist, und dass die Rotationsbewegung in einem der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) zugeordneten Kontaktbereich (23, 32, 42, 43) eine in Strömungsrichtung des Fluids (13, 34, 45, 54) gerichtete Bewegungskomponente hat.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Fläche sowie die Verwendung einer solchen Fläche zum Anordnen in einem strömenden Fluid mit einer Oberflächenebene, und mit Vertiefungen zum Reduzieren des Strömungswiderstandes. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes einer Fläche mit einer Oberflächenebene bei dem Vertiefungen in die Fläche eingebracht werden.

[0002] Derartige Gegenstände sind aus der DE 198 40 303 A1 und EP 1 469 198 A1 bekannt. Hiernach werden in die Oberfläche eines Fahrzeuges oder eines Rotorblattes kreissegmentartige Vertiefungen ähnlich zu der Oberfläche eines Golfballes eingeprägt. Mittels dieser Einprägungen werden gezielt Mikroturbulenzen an der Oberfläche und in der hydrodynamischen Grenzschicht des entlang der Oberfläche strömenden Fluids erzeugt. Der Strömungswiderstand ist hierdurch geringer als bei einer Oberfläche ohne derartige Vertiefungen.

[0003] Nachteilig ist jedoch, dass sich an der Oberfläche keine laminare, sondern ausschließlich eine turbulente Grenzschicht ausbildet. Für einen möglichst geringen Strömungswiderstand sollte die Grenzschicht jedoch solange wie möglich in Strömungsrichtung des Fluids turbulenzfrei und laminar sein.

[0004] Bei einer laminaren Grenzschicht besteht jedoch die Gefahr, dass die Dicke der Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids derart anwächst, dass die Grenzschicht turbulent wird. Hierbei kann die Strömungssituation so instabil werden, dass auch außerhalb der Grenzschicht turbulente Strömungen auftreten. Hierdurch entstehen in einem ausgedehnten Raumbereich an vielen Stellen fortwährend große Geschwindigkeitsgradienten. Es ergeben sich hohe viskose Reibungswerte, die zu einem insgesamt hohen Strömungswiderstand für den Gegenstand führen. Unter dem Einfluss eines dynamischen Auftriebs werden die Gefahren für eine turbulente Strömung und einen hohen Strömungswiderstand noch verstärkt. So erhöhen die für den Auftrieb erforderlichen räumlichen Druckverteilungen der Strömung zusätzlich die Neigung zur Instabilität und der damit verbundenen Turbulenzbildung.

[0005] Somit ist es die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Fläche der Eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids länger laminar ist und ein verringerter Strömungswiderstand realisierbar ist.

[0006] Zur Lösung ist die erfindungsgemäße Fläche dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung eines rotierbaren Rotationsmittels in der Vertiefung ausgebildet ist, und dass die Rotationsbewegung in einem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich eine in Strömungsrichtung des Fluids gerichtete Bewegungskomponente hat. Das Verfahren der Eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer Vertiefung ein rotierbares Rotationsmittel zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung in der Vertiefung zugeordnet wird, und dass das Rotationsmittel in die Rotationsbewegung versetzt wird, wobei das Rotationsmittel in einem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich mindestens teilweise in Strömungsrichtung des Fluids bewegt wird.

[0007] Hierbei ist von Vorteil, dass der Geschwindigkeitsgradient in dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich zwischen dem Rotationsmittel und dem über die Oberflächenebene strömenden Fluid geringer ist als der Geschwindigkeitsgradient zwischen dem strömenden Fluid und den starren Oberflächenanteilen ohne das sich in Strömungsrichtung bewegende Rotationsmittel. Zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung kann die Vertiefung eine geeignete Aufnahme zum Aufnehmen des rotierbaren Rotationsmittels aufweisen.

[0008] Der Kontaktbereich ist der Bereich, in dem sich das Rotationsmittel und das über der Vertiefung entlang der Oberflächenebene strömende Fluid berühren. Demnach ist die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem strömenden Fluid und dem Rotationsmittel in dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich kleiner als die Differenzgeschwindigkeit des direkt über die starre Oberfläche strömenden Fluids. In dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich wirkt auf die sich nach der Prandtlschen Grenzschichttheorie ergebenden hydrodynamischen Grenzschicht eine verminderte Kraft im Vergleich zu den starren Oberflächenanteilen. Hierdurch wächst die Dicke der Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids weniger stark an. Damit ist die Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids länger laminar.

[0009] In der Summe erfährt die Grenzschicht des Fluids entlang der Oberflächenebene eine weniger bremsende Kraft. Hierdurch ist der Strömungswiderstand reduziert. Zudem bewirkt die vermindert bremsende Kraft eine geringere Zunahme der Dicke der Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids. Hierdurch wird der Strömungswiderstand weiter reduziert. In Zusammenhang mit einem dynamischen Auftrieb, wie beispielsweise bei Flügelprofilen und/oder Turbinenschaufeln, sind die dynamischen Auftriebswerte verbessert.

[0010] Vorzugsweise weist die in Strömungsrichtung des Fluids gerichtete Bewegungskomponente der Rotationsbewegung in dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich den größten Betrag von drei die Rotationsbewegung bestimmenden Bewegungskomponenten auf. Bei den drei Bewegungskomponenten handelt es sich um die erste Bewegungskomponente in Strömungsrichtung und parallel zur Oberflächenebene, die zweite Bewegungskomponente parallel zur Oberflächenebene und rechtwinklig zur ersten Bewegungskomponente in Strömungsrichtung, und die dritte Bewegungskomponente rechtwinklig zur Oberflächenebene.

[0011] Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kontaktbereich in einer Ebene mit der Oberflächenebene angeordnet ist. Somit ist das Rotationsmittel ohne über die Oberflächenebene aus der Vertiefung heraus zu treten innerhalb der Vertiefung angeordnet. Das Rotationsmittel ragt nicht über die Oberflächenebene und in das entlang der Oberflächenebene strömende Fluid hinein. Die Gefahr der Entstehung von Turbulenzen in der Grenzschicht wird hierdurch verringert. Die Fläche weist Oberflächenabschnitte mit Vertiefungen und Oberflächenabschnitte ohne Vertiefungen auf. Hierbei kann sich in Strömungsrichtung des Fluids jeweils ein starrer Oberflächenabschnitt ohne Vertiefung mit einem Oberflächenabschnitt mit einer Vertiefung abwechseln. Nach einer Alternative tritt das Rotationsmittel über die Oberflächenebene aus der Vertiefung heraus. Dies erleichtert die Herstellung und Integration des Rotationsmittels in die Vertiefung. Hierbei tritt das Rotationsmittel jedoch nur soweit über die Oberflächenebene in Richtung des entlang der Oberflächenebene strömenden Fluids hinaus, dass hierdurch die laminare Strömung der Grenzschicht möglichst nicht gestört wird.

[0012] Gemäß einer Weiterbildung sind die Vertiefungen jeweils als ein Kanal ausgebildet. Solche Kanäle sind beispielsweise mittels einer Präparationseinrichtung in die Fläche einbringbar. Vorzugsweise ist die Fläche als eine Folie mit den Vertiefungen ausgebildet, die auf eine Außenfläche aufbringbar ist. Hierdurch wird eine besonders einfache Nachrüstung ermöglicht. Vorzugsweise ist ein Querschnitt des Kanals zum Ausbilden der Rotationsbewegung des Rotationsmittels um eine Längsachse des Kanals, insbesondere mittels eines Antriebes, ausgebildet. Somit rotiert das Rotationsmittel innerhalb des Kanals um eine Längsachse des Kanals, die zugleich die Rotationsachse für das rotierende Rotationsmittel ist. Das Rotationsmittel weist beispielsweise eine Zylinderform oder eine Rohrform auf. Vorzugsweise dient als ein Antrieb für die Rotation des Rotationsmittels das entlang der Oberflächenebene strömende Fluid.

[0013] Die Querschnitte der Vertiefungen können, insbesondere zum Erzeugen einer laminaren Rotationsströmung um die Längsachse der jeweiligen Vertiefung, eine kreissegmentförmige Kontur haben. Hierdurch werden die Anordnung eines Rotationsmittels in den Vertiefungen und/oder die Ausbildung einer Rotationsbewegung vereinfacht. Zudem werden Reibungsverluste zwischen dem Rotationsmittel und einer dem Rotationsmittel zugewandten Innenwand der jeweiligen Vertiefung reduziert.

[0014] Die Durchmesser der Vertiefungen können in der Größenordnung der Dicke einer hydrodynamischen Grenzschicht liegen, insbesondere entsprechen die Durchmesser der Dicke der Grenzschicht am Ort der jeweiligen Vertiefung, vorzugsweise liegen die Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 20 mm, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm. Hierdurch wird eine negative Beeinflussung des strömenden Fluids, insbesondere auch außerhalb der Grenzschicht des Fluids, vermieden. Insbesondere werden die Durchmesser der Vertiefungen in Strömungsrichtung des Fluids größer. Hierdurch wird die in Strömungsrichtung des Fluids zunehmende Dicke der Grenzschicht berücksichtigt. Vorzugsweise sind die Durchmesser der Vertiefungen umso kleiner, je schneller die Strömung ist und/oder je niedriger die Viskosität des Fluids ist. Umgekehrt gilt demnach, dass die Durchmesser der Vertiefungen umso größer sind, je langsamer die Strömung ist und/oder je größer die Viskosität des Fluids ist. Das Fluid kann ein Gas und/oder eine Flüssigkeit sein. Bei einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, können die Durchmesser der Vertiefungen in einem Bereich zwischen 1 cm und 2 cm liegen. Ist das Fluid ein Gas, wie beispielsweise Luft, können die Durchmesser der Vertiefungen in einem Bereich zwischen 1 mm und 2 mm liegen.

[0015] Vorzugsweise sind die Vertiefungen sowohl im Bereich einer laminaren Grenzschicht als auch im Bereich einer turbulenten Grenzschicht des Fluids angeordnet. Die Dicke der laminaren Grenzschicht nimmt in Strömungsrichtung immer mehr zu. Die Zuwachsrate der Dicke der Grenzschicht ist abhängig vom Geschwindigkeitsradienten zwischen einer oberflächennahen Lage der Grenzschicht und der Oberfläche der Fläche. Die laminare Grenzschicht wird ab einer bestimmten Dicke der Grenzschicht instabil und turbulent. Um die Entstehung von turbulenten Strömungen außerhalb der turbulenten Grenzschicht zu vermindern, können erfindungsgemäße Vertiefungen auch im Bereich der turbulenten Grenzschicht in die Fläche eingebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann sich einem Flächenbereich mit erfindungsgemäßen Vertiefungen zum Erreichen einer längeren laminaren Grenzschicht ein Flächenbereich mit aus dem Stand der Technik bekannten Vertiefungen, insbesondere kreissegmentartigen Einprägungen, zur Reduzierung des Strömungswiderstandes in einer turbulenten Grenzschicht anschließen.

[0016] Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist eine Breite eines Vertiefungsspaltes für jeweils eine Vertiefung durch zwei einander zugewandte Flächenkanten, insbesondere in der Oberflächenebene, bestimmt und der Durchmesser der jeweiligen Vertiefung ist größer als die Breite des zugehörigen Vertiefungsspaltes. Hierdurch wird die Anordnung eines Rotationsmittels und/oder die Entstehung einer Rotationsbewegung in der Vertiefung vereinfacht. Zudem lässt sich über eine geeignete Breite des Vertiefungsspaltes auf einfache Weise die Position bzw. Lage des Rotationsmittels, insbesondere in Bezug auf die Oberflächenebene, bestimmen.

[0017] Vorzugsweise ist eine sich durch die Rotationsbewegung des jeweiligen Rotationsmittels ergebende Rotationsachse parallel zur Oberflächenebene angeordnet, und vorzugsweise ist die Rotationsachse rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet. Hierdurch lässt sich die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Rotationsmittel und dem über dem Rotationsmittel im Bereich der Oberflächenebene strömenden Fluid auf einfache Weise weiter vermindern, wodurch der Strömungswiderstand ebenfalls weiter reduziert wird.

[0018] Nach einer Weiterbildung ergibt sich in den Querschnitten der Vertiefungen ausgehend von einer Längsachse der jeweiligen Vertiefung und zwischen den beiden einander zugewandten und der Oberflächenebene zugeordneten Flächenkanten, ein Öffnungswinkel von weniger als 90°, insbesondere von weniger als 60°, besonders bevorzugt von weniger als 30°, und am meisten bevorzugt zwischen 25° und 30°. Hierdurch wird die Breite des Vertiefungsspaltes bestimmt. Zudem ist mittels des Öffnungswinkels bestimmbar, wie weit das Rotationsmittel aus der Oberflächenebene aus der Vertiefung heraus tritt. Der Öffnungswinkel wird derart gewählt, dass eine Störung der laminaren Grenzschicht möglichst vermieden wird. Vorzugsweise ist der Öffnungswinkel bei größeren Reynoldszahlen kleiner als bei kleineren Reynoldszahlen. Demnach ist der Öffnungswinkel bei kleineren Reynoldszahlen größer als bei größeren Reynoldszahlen. Insbesondere ist die Längsachse der jeweiligen Vertiefung die Rotationsachse des Rotationsmittels.

[0019] Vorzugsweise dient als Rotationsmittel das Fluid. Hierdurch lässt sich eine Reduzierung des Strömungswiderstandes besonders einfach realisieren. Das in den Vertiefungen sich befindende Fluid wird mittels dem über die Vertiefung entlang der Oberflächenebene strömenden Fluid in eine Rotationsbewegung, insbesondere um eine Längsachse der Vertiefung, versetzt. Das rotierende Fluid bildet einen rotierenden Fluidzylinder. Alternativ zum Fluid als Rotationsmittel dient ein, insbesondere im Vergleich zum Fluid, niederviskoses Strömungsmedium als Rotationsmittel. Hierdurch werden Energieverluste aufgrund von Reibungsverlusten zwischen dem Rotationsmittel und der Innenwand der Vertiefung reduziert. Dadurch ist in dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich eine geringere Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Rotationsmittel und dem darüber strömenden Fluid realisierbar. Somit wird der Strömungswiderstand der Fläche weiter reduziert. Das niederviskose Strömungsmedium kann mittels einer Einleiteinrichtung, insbesondere kontinuierlich, in die Vertiefungen eingeleitet werden. Als niederviskoses Strömungsmedium kann im Falle von Luft als Fluid beispielsweise Helium eingesetzt werden.

[0020] Des Weiteren kann eine Einrichtung zum Kühlen und/oder Erwärmen der Vertiefungen vorgesehen sein. Hierdurch ist die Reibung zwischen dem Rotationsmittel und der Innenwand einer Vertiefung weiter reduzierbar. Die Reibung und die damit einhergehenden Energieverluste sind beispielsweise von der Viskosität eines fluiden Rotationsmittels abhängig. Die Viskosität ist wiederum von der Temperatur abhängig. Somit wird die Reibung zwischen dem Rotationsmittel und der Innenwand einer Vertiefung mittels Kühlen mit der Einrichtung reduziert. Die Differenzgeschwindigkeit im Kontaktbereich zwischen dem Rotationsmittel und dem darüber strömenden Fluid wird weiter reduziert, was zu einem weiter verminderten Strömungswiderstand für die Fläche führt.

[0021] Entsprechend einer weiteren Ausführungsform weist jeweils eine Innenwand der Vertiefungen mindestens eine weitere Vertiefung auf. Mittels einer solchen weiteren Vertiefung sind die Reibungsverluste zwischen dem Rotationsmittel und der Innwand der jeweiligen Vertiefung reduzierbar. Hierdurch sinkt im Kontaktbereich die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Rotationsmittel und dem darüber entlang der Oberflächenebene strömenden Fluid, wodurch der Strömungswiderstand der Fläche weiter reduziert wird. Mindestens zwei Vertiefungen können mittels mindestens einer weiteren Vertiefung miteinander verbunden sein. Hierdurch sind die Reibungsverluste noch weiter reduzierbar. Vorzugsweise ist die weitere Vertiefung entsprechend der vorangegangenen Beschreibung für die Vertiefungen in der Fläche ausgebildet.

[0022] Nach einer Weiterbildung sind die Vertiefungen und/oder die weiteren Vertiefungen in einer selbstähnlichen Anordnung, insbesondere in einer fraktalen Anordnung, angeordnet und unter einander verbunden. Auch hierdurch werden die Reibungsverluste innerhalb der Vertiefungen reduziert, was zu einer verminderten Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Rotationsmittel und dem darüber strömenden Fluid und somit zu einem reduzierten Strömungswiderstand der Fläche führt. Die selbstähnlichen oder fraktalen Anordnungen können mittels Nanotechnologie in die Fläche und/oder in die Innwände der Vertiefungen eingebracht werden.

[0023] Vorteilhafterweise wird die efindungsgemäße Fläche als eine Verkleidungsfläche für ein Fortbewegungsmittel und/oder als eine Beschichtung für eine Vorrichtung, insbesondere im Bereich der Medizintechnik, des Fluggerätebaus, des Windenergieanlagenbaus und/oder des Triebwerkbaus verwendet. Hierbei wird eine Energieeinsparung durch die Minimierung von Strömungsverlusten, beispielsweise bei Flugzeugen, Schiffen und/oder Kraftfahrzeugen, ermöglicht. Die Energieeinsparung und damit eine Effizienzsteigerung wird durch die Reduktion des Strömungswiderstandes bei der Bewegung durch ein Fluid, wie beispielsweise Wasser und/oder Luft, erreicht. Zudem kann eine Energieeinsparung durch eine optimierte Strömung in Triebwerken, wie beispielsweise Turbinen und/oder Kolbenmotoren, erreicht werden. In der Medizintechnik, insbesondere bei einer Verwendung in künstlichen Herzen und/oder künstlichen Gefäßen, werden turbulente Anteile in einer Blutströmung vermindert. Hierdurch wird die Gefahr einer Beschädigung von Blutplättchen reduziert, wodurch die damit verbundene Gerinnungsneigung vermindert wird.

[0024] Nachfolgend wird die Efindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen Ausschnitt aus einer ersten Fläche mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 2

einen Ausschnitt aus einer zweiten Fläche mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 3

einen Ausschnitt aus einer dritten Fläche mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 4

einen Ausschnitt aus einer weiteren Fläche mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 5

ein Flussdiagramm für ein Verfahren mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Ansicht, und

Fig. 6

einen Ausschnitt aus einem Flügelprofil mit einer laminaren Grenzschicht nach dem Stand der Technik in einer schematischen Seitenansicht.

[0025] Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer ersten Fläche 10 mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht. Die Fläche 10 hat eine Oberflächenebene 11, in die eine Vertiefung 12 eingebracht ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 12 als ein Kanal 12 mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Die Fläche 10 wird von einem Fluid 13 angeströmt. Das Fluid 13 weist eine laminare hydrodynamische Grenzschicht 14 auf, die hier schematisch als aus drei übereinander liegenden Lagen dargestellt ist. Die Strömungsrichtung des Fluids 13 bzw. der Grenzschicht 14 ist durch den Pfeil 15 angegeben.

[0026] In der Vertiefung 12 ist ein Rotationsmittel 16 angeordnet. Die Richtung der Rotationsbewegung des Rotationsmittels 16 ist durch die Pfeile 17, 18 angegeben. Das Rotationsmittel 16 ist innerhalb der Vertiefung 12 und zwischen zwei einander zugewandten Flächenkanten 19, 20 der Vertiefung 12 positioniert. Die Flächenkanten 19, 20 befinden sich in der Oberflächenebene 11. Weiter weist die Fläche 10 starre Oberflächenanteile 21, 22 auf.

[0027] Im Kontaktbereich 23 berühren sich das Rotationsmittel 16 und das entlang der Oberflächenebene 11 strömende Fluid 13. Durch den Pfeil 17 für die Rotationsbewegung des Rotationsmittels 16 und den Pfeil 15 für das strömende Fluid 13 bzw. die laminar strömende Grenzschicht 14 wird deutlich, dass die Rotationsbewegung in dem der Oberflächenebene 11 zugeordneten Kontaktbereich 23 eine Bewegungskomponente in Strömungsrichtung des Fluids 13 hat.

[0028] In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel tritt das Rotationsmittel 16 im Kontaktbereich 23 nicht über die Oberflächenebene 11 aus der Vertiefung 12 heraus. In einer alternativ denkbaren Ausführungsform kann das Rotationsmittel 16 in dem der Oberflächenebene 11 zugeordneten Kontaktbereich 23 über die Oberflächenebene 11 aus der Vertiefung 12 heraus treten.

[0029] Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus einer zweiten Fläche 24 mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht zu entnehmen. Die Fläche 24 weist eine Oberflächenebene 25 mit Vertiefungen 26, 27, 28 auf. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 26, 27, 28 als Kanäle 26, 27, 28 mit jeweils einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet. In den Kanälen 26, 27, 28 ist jeweils ein Rotationsmittel 29 angeordnet, wobei hier zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit nur ein Rotationsmittel 29 mit Bezugszeichen versehen ist.

[0030] Die Rotationsmittel 29 rotieren gemäß Pfeil 30 jeweils um eine Längsachse der Kanäle 26, 27, 28. Die Rotationsmittel 29 haben einen zylinderartigen Querschnitt mit einer Außenumfangsfläche 31 ist. Die Außenumfangsfläche 31 berührt in einem Kontaktbereich 32 eine laminare Grenzschicht 33 eines entlang der Oberfläche 25 strömenden Fluids 34. Hierbei ist die Grenzschicht 33 schematisch durch drei über einander angeordnete Lagen dargestellt. Die Strömungsrichtung des Fluids 34 bzw. der Grenzschicht 33 ist durch den Pfeil 35 angegeben.

[0031] Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer dritten Fläche 36 mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht. Die Fläche 36 hat eine Oberflächenebene 37 mit Vertiefungen 38, 39, die hier als Kanäle 38, 39 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet sind. Innerhalb der Kanäle 38, 39 ist ein hier nicht näher dargestelltes Rotationsmittel angeordnet, dass gemäß der Pfeile 40, 41 um eine Längsachse der Kanäle 38, 39 rotiert. In einem Kontaktbereich 42, 43 berührt das Rotationsmittel eine laminare Grenzschicht 44 eines Fluids 45, das gemäß Pfeil 46 entlang der Oberfläche 37 strömt. Die Grenzschicht 44 ist schematisch durch drei über einander angeordnete Lagen dargestellt.

[0032] Zwischen den Kanälen 38, 39 sind weitere Vertiefungen 47 angeordnet. Die weiteren Vertiefungen 47 sind ebenfalls als Kanäle 47 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet, wobei der Durchmesser der weiteren Kanäle 47 kleiner ist als der Durchmesser der Kanäle 38, 39. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit sind die Querschnitte der weiteren Kanäle 47 als vollständige Kreisringe ohne die offenen Bereiche dargestellt. Die weiteren Kanäle 47 sind teilweise in die Oberflächenebene 37 der Fläche 36 und teilweise in eine Innenwand 48, 49 der Kanäle 38, 39 eingebracht. Mittels der weiteren Kanäle 47 sind die Kanäle 38, 39 mit einander verbunden. Hierbei weisen die weiteren Kanäle 47 eine fraktalähnliche Anordnung auf. Innerhalb der weiteren Kanäle 47 rotieren hier nicht näher dargestellte Rotationsmittel. Zur Fixierung der weiteren Kanäle 47 sind in der Oberflächenebene 37 der Fläche 36 und/oder zwischen einzelnen Kanälen 38, 39, 47 hier nicht näher dargestellte Verstrebungsstrukturen vorhanden.

[0033] Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Fläche 50 mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht, die eine Oberflächenebene 51 mit einer Vertiefung 52 aufweist. Auch hier ist die Vertiefung 52 als ein Kanal 52 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet, in dem ein hier nicht näher dargestelltes Rotationsmittel rotiert. Auf der Oberflächenebene 51 strömt eine laminare Grenzschicht 53 eines Fluids 54 in Richtung des Pfeils 55. Die Grenzschicht 53 ist hier ebenfalls schematisch durch drei über einander angeordnete Lagen dargestellt.

[0034] Einer Innenwand 56 des Kanals 52 sind weitere Vertiefungen 57 zugeordnet, wobei zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit nur eine der weiteren Vertiefungen 57 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die weiteren Vertiefungen 57 sind nach einem fraktalen Anordnungsschema mit einer hohen Selbstähnlichkeit angeordnet. Die weiteren Vertiefungen 57 sind ebenfalls als Kanäle 57 mit einem kreissegementförmigen Querschnitt ausgebildet, in denen ein nicht näher dargestelltes Rotationsmittel gemäß der jeweiligen Pfeile rotiert.

[0035] Fig. 5 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Ansicht zu entnehmen. Nach einem Start des Verfahren zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes einer Fläche 10, 24, 36, 50 in einem Fluid 13, 34, 45, 54 gemäß Schritt S10, werden Vertiefungen 12, 26, 27, 28, 38, 39, 52 gemäß Schritt S11 in die Fläche 10, 24, 36, 50 eingebracht. Hiernach wird gemäß Schritt S12 den Vertiefungen 12, 26, 27, 28, 38, 39, 52 ein Rotationsmittel 16, 29 zugeordnet. Sodann wird das Rotationsmittel 16, 29 entsprechend Schritt S13 derart in Bewegung versetzt, dass das Rotationsmittel 16, 19 in einem der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 zugeordneten Kontaktbereich 23, 32, 42, 43 mindestens teilweise in Strömungsrichtung des Fluids 13, 34, 45, 54 bewegt wird. Schließlich wird das Verfahren gemäß Schritt S14 beendet.

[0036] Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem Flügelprofil 58 mit einer laminaren Grenzschicht 61 nach dem Stand der Technik in einer schematischen Seitenansicht. Das Flügelprofil 58 hat eine Oberfläche 59 und eine Vorderkante 60. Die Vorderkante 60 wird von einem Fluid 62 gemäß Pfeil 63 angeströmt. Hierbei bildet sich die laminare Grenzschicht 61, deren Dicke in Richtung der Strömung des Fluids 62 gemäß Pfeil 63 immer mehr zunimmt. Die Zunahme der Dicke der Grenzschicht 61 ist hier schematisch mittels einer in Strömungsrichtung des Fluids 62 zunehmenden Anzahl von Lagen dargestellt. Weiter ist ein schematisches Geschwindigkeitsprofil 68 für die maximal vier übereinander angeordneten Lagen der Grenzschicht 61 gezeigt, wobei die Länge einer Linie des Geschwindigkeitsprofils 68 einen Betrag der Geschwindigkeit repräsentiert. Demnach ist die Geschwindigkeit in einer Grenzschicht 61 mit vier Lagen in der untersten Lage am geringsten und nimmt mit zunehmendem Abstand zur Oberfläche 59 immer weiter zu, bis die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Fluids 62 außerhalb der Grenzschicht 61 erreicht ist.

[0037] Nachfolgend wird die Funktionsweise der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert:

[0038] Trifft eine laminare Grenzschicht 14, 33, 44, 53, 61 auf eine Fläche 10, 24, 36, 50, 59 so wird die Dicke der Grenzschicht 14, 33, 44, 53, 61 in Strömungsrichtung des Fluids 13, 34, 45, 54, 62 anwachsen. Zugunsten einer besseren Anschauung wird beispielhaft für die Grenzschichten 14, 33, 44, 53 die Grenzsicht 61 mit den übereinander liegenden Lagen betrachtet.

[0039] Beim erstmaligen Vorbeiströmen des Fluids 62 beispielsweise an der Vorderkante 60 des Flügelprofils 58 besteht nur zwischen der ersten untersten Lage und der Oberfläche 59 eine Differenzgeschwindigkeit. Somit erfährt zunächst nur die erste Lage eine negative Beschleunigung. Die Grenzschicht 61 ist zunächst noch sehr dünn und der Geschwindigkeitsgradient ist sehr hoch. Weiter stromabwärts wächst mit der fortdauernden Verringerung der Geschwindigkeit der ersten Lage auch die Differenzgeschwindigkeit zwischen der ersten Lage und einer zweiten Lage, die über der ersten Lage und von der Oberfläche 59 abgewandt angeordnet ist. Dies führt zu einer negativen Beschleunigung der zweiten Lage und einem Anwachsen der Dicke der Grenzschicht 61. Der Geschwindigkeitsgradient zwischen der ersten Lage und der Oberfläche 59 nimmt in Strömungsrichtung des Fluids 62 ab. Dies setzt sich in entsprechender Weise auch für weitere über der zweiten Lage angeordnete Lagen fort, wodurch die Dicke der Grenzschicht 61 immer weiter anwächst.

[0040] Zwar wird die Differenzgeschwindigkeit zwischen der ersten Lage und der Oberfläche 59 stromabwärts immer geringer. Jedoch wird die zunächst laminare Grenzschicht 61 ab einer bestimmten Dicke instabil und turbulent. Hierbei treten auch außerhalb der Grenzschicht 61 turbulente Strömungen auf. Diese führen zu hohen viskosen Reibungswerten und damit zu einem hohen Strömungswiderstand für das Flügelprofil 58.

[0041] Soll nun der Strömungswiderstand reduziert werden, werden in die Fläche 10, 24, 36, 50 Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt mittels einer Präparationseinrichtung eingebracht. Hierbei werden die Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 derart in die Fläche 10, 24, 36, 50 eingebracht, dass die Längsachsen der Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 parallel zur Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 und rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids 13, 34, 45, 54 angeordnet sind. Alternativ kann auf die Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 der Fläche 10, 24, 36, 50 auch eine Folie mit den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 aufgebracht werden.

[0042] Der Durchmesser der Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 entspricht der Größenordnung der erwarteten Dicke der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 am Ort des jeweiligen Kanals 12, 26, 27, 38, 39, 52. Hierdurch wird in Übereinstimmung mit der Prandtlschen Grenzschichttheorie eine negative Beeinflussung der gesamten Strömung, insbesondere auch der Strömung außerhalb der Grenzschicht 14, 33, 44, 53, vermieden.

[0043] Strömt nun das Fluid 13, 34, 45, 54 und dessen Grenzschicht 14, 33, 44, 53 über die Fläche 10, 24, 36, 50 wird das Fluid 13, 34, 45, 54 in den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 als ein Rotationsmittel 16, 29 verwendet und in eine Rotationsbewegung versetzt. Demnach dient das entlang der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 strömende Fluid 13, 34, 45, 54 als ein Antrieb für das Rotationsmittel 16, 29. Die Antriebskraft für diese aufgrund der niedrigen Reynoldszahlen in den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 laminaren Rotationsströmung ergibt sich aufgrund eines viskosen Reibungsflusses der über die Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 hinweg strömenden Grenzschicht 14, 33, 44, 53. In den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 entsteht ein um die Längsachse des jeweiligen Kanals 12, 26, 27, 38, 39, 52 rotierender Fluidzylinder mit einer Außenumfangsfläche 31.

[0044] In dem der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 zugeordneten Kontaktbereich 23, 32, 42, 43 ist zwischen der Außenumfangsfläche 31 des rotierenden Rotationsmittels 16, 29 und dem entlang der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 strömenden Fluid 13, 34, 45, 54 bzw. der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 der Geschwindigkeitsgradient verglichen mit dem Geschwindigkeitsgradienten der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 entlang einer starren Oberfläche 21, 22 deutlich vermindert. Demnach ist die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem entlang der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 strömenden Fluid 13, 34, 45, 54 und dem Rotationsmittel 16, 29 vermindert. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen dem Geschwindigkeitsgradienten in der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 und der viskosen Reibungskraft, wirkt im Kontaktbereich 23, 32, 42, 43 eine auf die Grenzschicht 14, 33, 44, 53 verminderte Kraft als im Bereich von starren Oberflächenanteilen 21, 22 ohne die Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52.

[0045] Somit erfährt die Grenzschicht 14, 33, 44, 53 entlang der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 in Strömungsrichtung des Fluids 13, 34, 45, 54 eine weniger bremsende Kraft. Dies führt zu einer Reduktion des gesamten Strömungswiderstandes für die Fläche 10, 24, 36, 50. Zudem bewirkt die verminderte Bremskraft eine geringere Zunahme der Dicke der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 in Strömungsrichtung. Hierdurch ist die Grenzschicht 14, 33, 44, 53 in Strömungsrichtung länger laminar und der Strömungswiderstand wird weiter reduziert.

[0046] Zwischen der Innenwand der Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 und dem Rotationsmittel 16, 29 findet aufgrund viskoser Reibung ebenfalls ein Energieverlust statt. Dieser Energieverlust lässt sich durch die weiteren Vertiefungen 47, 57 in der Innenwand 48, 49, 56 der Kanäle 38, 39, 52 reduzieren. Hierdurch wird der gesamte Strömungswiderstand der Fläche 10, 24, 36, 50 weiter vermindert. Alternativ oder zusätzlich kann das Rotationsmittel 16, 29 in den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 mittels einer geeigneten Einrichtung gekühlt werden und/oder es kann ein niederviskoses Strömungsmedium als Rotationsmittel 16, 29 mittels einer Einleiteinrichtung in die Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 eingebracht werden. Hierdurch wird der gesamte Strömungswiderstand weiter reduziert.

[0047] Aufgrund der erfindungsgemäßen Fläche 10, 24, 36, 50 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der Schritte S10 bis S14 ergibt sich ein reduzierter Strömungswiderstand, wodurch die Energieverluste bei einer von einem Fluid 13, 34, 45, 54 angeströmten Fläche 10, 24, 36, 50 vermindert werden.

Bezugszeichenliste :

[0048] 

10

Fläche

11

Oberflächenebene

12

Vertiefung

13

Fluid

14

Grenzschicht

15

Pfeil

16

Rotationsmittel

17

Pfeil

18

Pfeil

19

Flächenkante

20

Flächenkante

21

Starrer Oberflächenanteil

22

Starrer Oberflächenanteil

23

Kontaktbereich

24

Gegenstand

25

Oberfläche

26

Vertiefung

27

Vertiefung

28

Vertiefung

29

Rotationsmittel

30

Pfeil

31

Außenumfangsfläche

32

Kontaktbereich

33

Grenzschicht

34

Fluid

35

Pfeil

36

Fläche

37

Oberflächenebene

38

Vertiefung

39

Vertiefung

40

Pfeil

41

Pfeil

42

Kontaktbereich

43

Kontaktbereich

44

Grenzschicht

45

Fluid

46

Pfeil

47

Weitere Vertiefungen

48

Innenwand

49

Innenwand

50

Fläche

51

Oberflächenebene

52

Vertiefung

53

Grenzschicht

54

Fluid

55

Pfeil

56

Innenwand

57

weitere Vertiefungen

58

Flügelprofil

59

Oberfläche

60

Vorderkante

61

Grenzschicht

62

Fluid

63

Pfeil

64

Geschwindigkeitsprofil

Ansprüche

1. Fläche zum Anordnen in einem strömenden Fluid (13, 34, 45, 54) mit einer Oberflächenebene (11, 25, 37, 51), und mit Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung eines rotierbaren Rotationsmittels (16, 29) in der Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) ausgebildet ist, und dass die Rotationsbewegung in einem der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) zugeordneten Kontaktbereich (23, 32, 42, 43) eine in Strömungsrichtung des Fluids (13, 34, 45, 54) gerichtete Bewegungskomponente hat.

2. Fläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich in einer Ebene mit der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) angeordnet ist.

3. Fläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) als ein Kanal ausgebildet ist, wobei vorzugsweise ein Querschnitt des Kanals zum Ausbilden der Rotationsbewegung des Rotationsmittels (16, 29) um eine Längsachse des Kanals, insbesondere mittels eines Antriebes, ausgebildet ist.

4. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52), insbesondere zum Erzeugen einer laminaren Rotationsströmung um die Längsachse der jeweiligen Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52), eine kreissegmentförmige Kontur haben.

5. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) in der Größenordnung der Dicke einer hydrodynamischen Grenzschicht (14, 33, 44, 53) liegen, insbesondere entsprechen die Durchmesser der Dicke der Grenzschicht (14, 33, 44, 53) am Ort der jeweiligen Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52), vorzugsweise liegen die Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 20 mm, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm.

6. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite eines Vertiefungsspaltes für jeweils eine Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) durch zwei einander zugewandte Flächenkanten (19, 20), insbesondere in der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51), bestimmt ist und der Durchmesser der jeweiligen Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) größer ist als die Breite des zugehörigen Vertiefungsspaltes.

7. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich durch die Rotationsbewegung des jeweiligen Rotationsmittels (16, 29) ergebende Rotationsachse parallel zur Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) angeordnet ist, und vorzugsweise die Rotationsachse rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids (13, 34, 45, 54) ausgerichtet ist.

8. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den Querschnitten der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) ausgehend von einer Längsachse der jeweiligen Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) und zwischen den beiden einander zugewandten und der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) zugeordneten Flächenkanten (19, 20), ein Öffnungswinkel von weniger als 90°, insbesondere von weniger als 60°, besonders bevorzugt von weniger als 30°, und am meisten bevorzugt zwischen 25° und 30°, ergibt.

9. Fläche nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Rotationsmittel (16, 29) das Fluid (13, 34, 45, 54) oder ein, insbesondere im Vergleich zum Fluid (13, 34, 45, 54), niederviskoses Strömungsmedium, vorzugsweise Helium, dient.

10. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Kühlen und/oder Erwärmen der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) vorgesehen ist.

11. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Innenwand (48, 56) der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) mindestens eine weitere Vertiefung (47, 57) aufweist und/oder mindestens zwei Vertiefungen (38, 39) mittels mindestens einer weiteren Vertiefung (47, 57) miteinander verbunden sind, wobei vorzugsweise die weitere Vertiefung (47, 57) als eine Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

12. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) und/oder die weiteren Vertiefungen (47, 57) in einer selbstähnlichen Anordnung, insbesondere in einer fraktalen Anordnung, angeordnet und unter einander verbunden sind.

13. Verfahren zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes einer Fläche mit einer Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) bei dem Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) in die Fläche eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) ein rotierbares Rotationsmittel (16, 29) zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung in der Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) zugeordnet wird, und dass das Rotationsmittel (16, 29) in die Rotationsbewegung versetzt wird, wobei das Rotationsmittel (16, 29) in einem der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) zugeordneten Kontaktbereich (23, 32, 42, 43) mindestens teilweise in Strömungsrichtung des Fluids (13, 34, 45, 54) bewegt wird.

14. Verwendung einer Fläche nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als eine Verkleidungsfläche für ein Fortbewegungsmittel und/oder als eine Beschichtung für eine Vorrichtung, insbesondere im Bereich der Medizintechnik, des Fluggerätebaus, des Windenergieanlagenbaus und/oder des Triebwerkbaus.

Zeichnung