Die Reduktion des turbulenten Reibungswiderstands ist ein wichtiger Baustein, um die Energieeffizienz von Strömungsmaschinen und Transportsystemen zu erhöhen. Die vorliegende Arbeit kombiniert passive Riblet-Strukturen, die bereits eine moderate Widerstandsreduktion erreichen, mit einer oszillierenden Anregung, um die Widerstandsreduktion weiter zu steigern. Die oszillierende Anregung ist dabei an das Verfahren der oszillierenden Wand angelehnt, das bei hohem Energieeinsatz eine starke Widerstandsreduktion bewirkt. Die vorliegende Arbeit untersucht mit Direkten Numerischen Simulationen eine aktive und zwei passive Kombinationsarten. Zunächst wird mithilfe oszillierend kippender Lamellen aktiv eine Querschwingung des Fluides angeregt. Die Simulationen dieser Arbeit zeigen mit dieser Methode erstmals eine erfolgreiche Steigerung der Widerstandsreduktion gegenüber einer unbewegten Riblet-Struktur. Anschließend wurde für passiv kippende Lamellen erfolgreich eine starke, vollständige Kopplung zur Fluid-Struktur-Interaktion im verwendeten Strömungslöser implementiert. Mit dem eingesetzten Torsionsfedermodell und unter den betrachteten Parametersätzen konnte jedoch keine Widerstandsreduktion, welche über die der unbeeinflussten Riblet-Struktur hinausgeht, gefunden werden. Als letzte passive Kombinationsart zwingen wellenförmige Riblet-Strukturen die Strömung der Wellenform zu folgen und regen so eine Oszillation an. Diese passive Methode wurde anhand von Variationen der Amplitude und der Wellenlänge umfangreich untersucht. Allerdings konnte keine zusätzliche Widerstandsreduktion für die untersuchten Parametersätze gefunden werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Druck- und Reibungskräfte hervorragend mit dem Verhältnis von Amplitude zu Wellenlänge skalieren. Da dies auch für die angeregte Quergeschwindigkeitsamplitude gilt, ist es nun möglich, a priori die gewünschte Anregung über die Wellenform festzulegen.
Aktualisiert: 2019-03-25
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Im Vergleich zu glatten Oberflächen können mikrostrukturierte Riblet-Oberflächen die Wandschubspannung in turbulenter Strömung bis zu 10% reduzieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Fertigungsverfahren Profilschleifen zur Herstellung von Riblet-Strukturen mit einer Rillenbreite zwischen 20 µm und 120 µm untersucht. Zur Erzeugung von den für das Riblet-Schleifen erforderlichen Mikroprofilen wird ein Abrichtprozess mit Profilshiftkinematik für keramisch gebundene Schleifwerkzeuge neu entwickelt. Durch systematische Untersuchungen zu dem Einfluss des Profilschleifprozesses auf die Riblet-Strukturausbildung werden die Prozessgrenzen zur herstellbaren Strukturgröße und -qualität ermittelt. Weitere Untersuchungen mit metallischen Bindungssystemen zeigen Möglichkeiten zur Verringerung der herstellbaren Strukturdimension auf. Die Wirkung der geschliffenen Riblet-Strukturen zur Reibungsreduzierung wird anhand von Öl- und Gitterwindkanaluntersuchungen nachgewiesen.
Aktualisiert: 2019-10-17
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Wandreibung hat einen negativen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in Gasturbinen und verringert dadurch deren Wirkungsgrad. Mikroskalige Rippenstrukturen, sog. Riblets, an der Oberfläche der umströmten Maschinen-komponenten können derartige Verluste signifikant mindern. Die geforderten Riblet-Größen und -Qualitäten sind mit vorhandenen Fertigungstechniken nicht oder nur unzureichend erzielbar. Mit der fortschreitenden Entwicklung leistungs-starker Pikosekunden-Laserstrahlquellen steht ein Werkzeug zur Verfügung, welches die anforderungsgerechte Riblet-Fertigung ermöglicht. Deshalb wird in dieser Arbeit die Mikrostrukturierung metallischer Oberflächen mittels Piko-sekunden-Pulsen untersucht. Basierend auf theoretischen Vorbetrachtungen anhand des sog. Zwei-Temperatur-Modells werden die Auswirkungen der Prozessparameter Fokusdurchmesser, Pulsenergie, Fluenz und Pulsüber-lappung auf die Abtragsqualität und -effizienz charakterisiert. Der Einfluss der Werkstoffkennwerte Wärmeleitfähigkeit und -kapazität sowie Schmelz- und Verdampfungstemperatur auf das Abtragsverhalten und -ergebnis wird dargestellt. Mit der Fertigung von Riblet-Oberflächen auf Verdichterschaufeln, der messtechnischen Bestimmung ihrer aerodynamischen Wirksamkeit und einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird die Eignung des Fertigungs-verfahrens demonstriert.
Aktualisiert: 2019-10-17
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