Widerstandsreduktion für Innenströmungen durch 'gedimpelte Oberflächen'
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Widerstandsreduktion von wandgebundenen turbulenten Strömungen wurde vor einiger Zeit die "Dimple-Technik" vorgeschlagen. Dies sind Oberflächenstrukturen in Form von flachen Dellen, welche die wandnahe Strömung beeinflussen. Das Ziel des vorliegenden Antrags war es, in einer Machbarkeitsstudie den "Dimple-Effekt" zu untersuchen und mögliche Widerstandsreduktionen zu eruieren. Hierzu wurden einerseits direkte numerische Simulationen für gedimpelte Kanäle durchgeführt. Andererseits wurden experimentelle Untersuchungen sowohl für Innenströmungen im Flachkanal des LSTM Erlangen als auch für Außenströmungen im Windkanal vorgenommen. In einem weitergehenden Projekt war dann nach der grundsätzlichen Verifizierung des Effekts geplant, die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen im Detail zu studieren. Die Arbeitshypothese war, dass beim Erreichen einer Widerstandsminderung in unmittelbarer Wandnähe eine ähnliche Modifikation der Turbulenz großen auftritt, wie sie Frohnapfel et al. (2007) für andere Methoden der Reibungsminderung aufzeigen. Die experimentellen Untersuchungen im vorliegenden Projektteil konzentrierten sich zunächst auf Messungen des Druckverlusts in einer Kanalströmung. Diese ist für den zu führenden Nachweis bestens geeignet, da sie bei sehr gut definierten und reproduzierbaren Randbedingungen auf einer relativ einfach handhabbaren und genauen Druckmessung beruht. Die eigentliche Messstrecke bestand aus einem Kanal von 50 mm Höhe, 600 mm Breite und 6000 mm Länge. Durch das hohe Seitenverhältnis von 12 und das Längen- Höhen-Verhältnis von 120 konnte mit sehr guter Näherung von einer vollentwickelten zweidimensionalen Strömung ausgegangen werden, die nachweislich auch erreicht wurde. Für einen weiten Reynoldszahlbereich wurden die Druckverluste der Kanalströmung mit gedimpelten Wänden und mit glatten Wänden gemessen und gegeneinander aufgetragen. Es zeigte sich, dass die Daten der beiden Messreihen praktisch zusammenfallen und keine Reduktion (aber auch keine Erhöhung) des Druckverlustes auftrat. Um dieses nicht eindeutige Ergebnis zu überprüfen, wurde noch eine weitere Dimple-Geometrie in die Untersuchungen mit einbezogen. Für diese ergab sich aber eine Vergrößerung der S t römungs Verluste relativ zur ungedimpelten Oberfläche. Da es Argumente gab, die diese Ergebnisse auf die rein wandgebundene, reibungsdominierte Natur der Kanalströmung, ohne Möglichkeit der Interaktion mit einer Außenströmung, zurückführten, wurde zur Absicherung noch ein Experiment an einer ebenen Plattenströmung im Windkanal des LSTM aufgebaut. Die gemessenen Unterschiede im Impulsverlust in der Plattengrenzschicht, die sich über der glatten und der gedimpelten Oberfläche entwickelte, waren aber mit weniger als ca. 2% so klein, dass sie im Bereich der Messunsicherheit für dieses Experiment lagen. Somit unterstützt dieses Ergebnis die Folgerung aus den Kanalmessungen, dass die untersuchten Dimples den Strömungswiderstand weder verbesserten noch verschlechterten. Bei den DNS-Berechnungen wurde zunächst mit einem Gitter bestehend aus ca. 5.5 Millionen Punkten eine ebene Kanalströmung bei ReT = 590 simuliert, wobei eine bzw. beide Kanalwände mit einer regelmäßigen Anordnung von flachen Dimplen versehen war. Als Referenzfall wurde zudem der Kanal ohne gedimpelte Wände simuliert. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass zwar der Reibungsanteil am Gesamtwiderstand durch die Dimples marginal abnimmt, dieser positive Effekt aber durch den aufgrund der Form der Dimples neu hinzugekommenen Druckwiderstandsanteil überkompensiert wird. Dies führt dazu, dass der Gesamtwiderstand im Falle einer bzw. zwei gedimplter Wände sogar um ca. 2 bzw. 4% zunimmt. Um Zweifel an diesen Ergebnissen durch numerische Feh3. ler oder unzureichende Auflösung auszuschließen, wurden Simulationen mit einer in jeder Richtung verdoppelten Auflösung durchgeführt. Diese bestätigen eindeutig die auf dem gröberen Gitter gefundenen Ergebnisse. Auch die untersuchten Strömungsstrukturen in Wandnähe lassen keinen physikalischen Mechanismus erkennen, der eine Widerstandsreduktion erklären könnte. Im Dimple selbst bildet sich eine sehr kleine Ablösezone aus und die Wandschubspannungen sind kleiner als im Fall der ebenen Wand. Andererseits verändert sich die Druckverteilung und führt zu einem Widerstandsanteil, der die Reduktion der Wandschubspannung mehr als kompensiert. Eine Widerstandsreduktion kann folglich nicht bestätigt werden. Als Fazit bleibt festzuhalten, dass der "Dimple-Effekt" im vorliegenden Projekt weder numerisch noch experimentell für Innenströmungen bestätigt werden konnte. Auch für Außenströmungen konnte experimentell keine Widerstandsreduktion durch Dimples nachgewiesen werden. Dies steht einerseits im Gegensatz zu experimentellen Untersuchungen in anderen Laboren (DLR Köln, HSVA Hamburg), die speziell für Außenströmungen bereits eine Widerstandsreduktion gefunden haben. Andererseits stimmen die vorliegenden Erkenntnisse mit der Studie aus Singapore (Zhao et al., 2004) überein, die im Fall einer Kanalströmung ebenfalls nur einen Einfluss der Dimples in der Größenordnung der Messunsicherheiten feststellen konnten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Direct Numerical Simulation of Turbulent Flow Over Dimples - Code Optimization for NEC SX-8 plus Flow Results^ High Performance Computing in Science and Engineering 2007, Transaction of the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) 2007, Oct. 4-5, 2007, HLRS Stuttgart, Germany, eds. E. Nagel, D. Kröner, M. Resch, pp. 303-318, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, ISBN 978-3- 540-74738-3, (2008).
Breuer, M., Lamrners, P., Zeiser, Th., Hager, G., Wellein, G.
