Zur Verbesserung der Strömungseigenschaften eines Fortbewegungsmittels, das sich relativ zu einem umgebenden Medium bewegt, und zur Verminderung bestimmter nachteiliger Strömungseffekte, wie zum Beispiel der Schleppwirbel- und Leewalzenbildung, sieht die Erfindung ein Fortbewegungsmittel mit zumindest einer strukturierten Oberfläche vor, die eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, sowie die Verwendung einer Oberfläche, welche eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, als Oberfläche eines Fortbewegungsmittels. Weiterhin sieht die Erfindung eine Schicht zum Aufbringen auf eine Oberfläche oder Teile einer Oberfläche eines Fortbewegungsmittels vor, wobei die Außenseite der Schicht eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen umfasst.
Beschreibung[de]
Die Erfindung betrifft allgemein Fortbewegungsmittel und insbesondere
Fortbewegungsmittel, entlang deren Oberfläche ein Medium strömt, wobei das Medium
ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit umfassen kann.
Es ist bekannt, dass die Strömungseigenschaften eines Fortbewegungsmittels,
das sich in einem Medium bewegt, von einer Reihe von Parametern abhängen. Hierzu
gehören unter anderen die Eigenschaften des Mediums, die Form des Fortbewegungsmittels,
sowie die Relativgeschwindigkeit von Fortbewegungsmittel und Medium.
Insbesondere um den Strömungswiderstand zu reduzieren und um andere
negative Strömungseigenschaften so weit wie möglich zu vermeiden, wird von Fahrzeugherstellern
mit großem Zeit- und Kostenaufwand die Geometrie von Fahrzeugen immer weiter optimiert.
Dies betrifft in unterschiedlichem Maß sowohl Land-, Wasser- als auch Luftfahrzeuge.
Jedoch sind der Unterdrückung bestimmter negativer Strömungseffekte durch Anpassung
der Fahrzeuggeometrie Grenzen gesetzt.
Durch den Druckausgleich am hinteren Ende eines bewegten Objekts entstehen
beispielsweise sogenannte Schleppwirbel. Auch bereits in der Übergangsphase zwischen
laminaren und turbulenten Strömungen kann es passieren, daß sich große Schleppwirbel
durch Abreissen der laminaren Strömung bilden. Die Erzeugung solch unkontrollierter
großer Schleppwirbel erfordert Energie und führt daher zu einer erheblichen Bremswirkung.
Dies ist insbesondere ein Problem in der Luftfahrt, da solch große
Wirbel für einen längeren Zeitraum stabil bestehen bleiben und dadurch nachfolgende
Luftfahrzeuge beeinträchtigen können. Ebenso sind aber Schleppwirbel auch bei Land-
und Wasserfahrzeugen zu beobachten.
Ein weiteres Problem ist die Bildung von Leewalzen bei Seitenwind.
Hierbei handelt es sich um große Wirbel, die sich auf der windabgewandten Seite
eines Objekts bilden. Durch den entstehenden Druckunterschied führt dies insbesondere
bei Hochgeschwindigkeitszügen zu einer erhöhten Kippgefahr des Zuges.
Weiterhin ist mit der Bildung turbulenter Wirbel in der Regel eine
hohe Geräusch- und Vibrationsentwicklung verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Weg aufzuzeigen,
wie die Strömungseigenschaften eines Fortbewegungsmittels, das sich relativ zu einem
umgebenden Medium bewegt, verbessert und die oben beschriebenen nachteiligen Effekte
vermindert werden können.
Die Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise durch einen Gegenstand
gemäß einem der anhängenden unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen umschrieben.
Die Erfinder haben überraschend herausgefunden, dass bei Fortbewegungsmitteln,
deren Oberfläche zumindest teilweise eine spezielle dreidimensionale Oberflächenstruktur,
wie sie in EP 92 911 873.5, PCT RU92/00106
und in EP 96 927 047.9, PCT/EP96/03200
beschrieben wird, aufweist, nicht nur der Strömungswiderstand reduziert ist, sondern
auch weitere negative Strömungseffekte vermindert sind. Der Offenbarungsgehalt der
EP 92 911 873.5, PCT RU92/00106 und der
EP 96 927 047.9, PCT/EP96/03200 wird daher
hiermit ausdrücklich durch Referenz inkorporiert.
Dementsprechend umfasst ein erfindungsgemäßes Fortbewegungsmittel
zumindest eine Oberfläche, die eine Strukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen
und/oder Erhebungen aufweist, wobei bei Bewegung des Fortbewegungsmittels ein umgebendes
Medium entlang dieser Oberfläche strömt.
Vorteilhaft ist die zumindest eine Oberfläche derart ausgebildet,
dass sich in der Nähe der Oberfläche Vortices in dem umgebenden Medium bilden, wenn
das Medium an der Oberfläche entlang strömt.
Die Entstehung von Vortices in der Nähe der Oberfläche in dem umgebenden
Medium durch eine erfindungsgemäße Vertiefung lässt sich folgendermassen beschreiben.
An der Vertiefung bildet sich zunächst eine Wirbelwalze im wesentlichen quer zur
Strömungsrichtung. Da diese Wirbelwalze typischerweise eine nicht verschwindende
Helizität aufweist, wird das Medium an dem einen Ende in den Wirbel gesogen und
an dem anderen Ende ausgestossen. Dies führt dazu, dass sich das
letztgenannte Ende des Wirbels von der Oberfläche löst und von der Hauptströmung
mitgerissen wird. Es bilden sich auf diese Weise Vortices, die ausgehend von den
Vertiefungen von der Oberfläche weg in Richtung Hauptströmung führen. Da der Druck
innerhalb der Vortices geringer ist als in deren Umgebung, wird die Grenzschicht
des Mediums in der Nähe der Oberfläche abgesogen und in die Hauptströmung geleitet.
Jeder Wirbel wirkt dadurch als eine Art Grenzschichtkontroller, der in allen Richtungen
der Umgebung das umgebende Medium in sich, auch gegen die regierende Strömungsrichtung,
hineinsaugt. Dadurch werden in der Nähe der Oberfläche im Medium vorhandene ungeordnete
Turbulenzen abgebaut.
Durch die beschriebene Bildung von Vortices wird der Strömungsabriss
im Vergleich zu einer glatten Oberfläche entlang der Strömungsrichtung nach hinten
verschoben, sowie die oben beschriebenen negativen Strömungseffekte wie Schleppwirbel-
oder Leewalzenbildung reduziert. Die Reduzierung der Schleppwirbelbildung führt
gleichzeitig auch zu einer Reduzierung des Gesamtwiderstandes.
Vorteilhaft weisen die Vertiefungen und/oder Erhebungen einen zweidimensional
begrenzten Rand auf und sind besonders vorteilhaft im Bereich des Randes zum Rest
der Oberfläche hin mit einem vorgegebenen Abrundungsradius abgerundet. Der Abrundungsradius
kann dabei in unterschiedlichen Richtungen innerhalb der Ebene der Oberfläche einen
unterschiedlichen Wert aufweisen.
Vorzugsweise weisen die Vertiefungen im wesentlichen die Form eines
Abschnitts einer Kugel oder eines Ellipsoids auf, da diese Form herstellungstechnisch
am einfachsten zu realisieren ist.
Die Form, Größe und Anordnung der Vertiefungen und/oder Erhebungen
kann vorteilhafterweise auf unterschiedliche Strömungsbedingungen abgestimmt werden,
die durch den Einsatzzweck des Fortbewegungsmittels vorgegeben werden. Um während
der Benutzung eine flexible Anpassung der Oberflächenstruktur des Fortbewegungsmittels
an unterschiedliche Bewegungszustände zu realisieren, umfasst das Fortbewegungsmittel
vorteilhaft eine Einrichtung zum Variieren der Form und/oder der Anzahl der Vertiefungen
und/oder Erhebungen. Beispielsweise kann dies mittels flexibler Membranen erfolgen,
wie dies in EP 96 927 047.9 beschrieben
wird. Die EP 96 927 047.9 wird daher hiermit
auch diesbezüglich ausdrücklich durch Referenz inkorporiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Vertiefungen und/oder
Erhebungen zumindest abschnittsweise im wesentlichen periodisch auf der Oberfläche
des Fortbewegungsmittels angeordnet.
Um mit der Strukturierung eine möglichst vollständige Flächenabdeckung
zu erzielen, umfasst die Oberfläche des Fortbewegungsmittels, welche die Vertiefungen
und/oder Erhebungen aufweist, zweckmäßigerweise zumindest einen ersten, im wesentlichen
ebenen Bereich und zumindest einen zweiten, im wesentlichen gekrümmten Bereich.
Auf diese Weise lässt sich die strukturierte Oberfläche an beliebige Geometrien
des Fortbewegungsmittels anpassen.
Da typischerweise in dem ebenen und dem gekrümmten Bereich der Oberfläche
des Fortbewegungsmittels unterschiedliche Strömungszustände herrschen, unterscheiden
sich die Vertiefungen und/oder Erhebungen in diesen Bereichen vorteilhaft in Form
und/oder Größe und/oder Anordnung.
In einer besonders bevorzugten Anordnung der Vertiefungen und/oder
Erhebungen in einem im wesentlichen ebenen Bereich der Oberfläche des Fortbewegungsmittels
bilden die Mittelpunkte dreier direkt benachbarter Vertiefungen und/oder Erhebungen
ein gleichseitiges Dreieck, wobei der Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter
Vertiefungen und/oder Erhebungen einen im wesentlichen konstanten ersten Wert und
der Abstand zweier aufeinanderfolgender Reihen von Vertiefungen und/oder Erhebungen
einen im wesentlichen konstanten zweiten Wert aufweisen. In einem gekrümmten Bereich
weist die Oberfläche bevorzugt eine ähnliche Anordnung auf, die die Oberflächenkrümmung
berücksichtigt.
Eine bevorzugte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels
umfasst ein Landfahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug oder einen Last- oder
Personenkraftwagen, mit zumindest einer Aussenhülle, wobei zumindest Teile der Oberfläche
der Aussenhülle eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen.
Besonders bevorzugt weist die Oberfläche des Fortbewegungsmittels
eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen derart auf, dass die Leewalzenbildung
reduziert ist gegenüber einem ansonsten identischen Fortbewegungsmittel, dessen
Oberfläche eine glatte Struktur aufweist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn
das Fortbewegungsmittel als Schienenfahrzeug, insbesondere als Hochgeschwindigkeitszug
ausgebildet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels
umfasst ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder Hubschrauber, mit zumindest
einer der Komponenten Aussenhülle, Propeller, Rotor, Turbine, Tragfläche, Lenkfläche
oder Leitwerk, wobei zumindest Teile der Oberfläche einer dieser Komponenten eine
Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen.
Eine bevorzugte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels
ist auch ein Wasserfahrzeug, umfassend zumindest einen Rumpf und/oder eine Antriebsschraube,
wobei zumindest Teile der Oberflächen des Rumpfes und/oder der Antriebsschraube
eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen.
Darüber hinaus liegen auch beliebige andere Arten von Fortbewegungsmitteln,
wie beispielsweise Surfboards, Bob-Schlitten oder Raketen, mit einer Oberfläche,
welche eine Vielzahl von Vertiefungen und/der Erhebungen aufweist, im Rahmen der
Erfindung.
Besonders bevorzugt wird durch die Oberfläche des Fortbewegungsmittels,
welche eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, gegenüber einem
ansonsten identischen Fortbewegungsmittel, dessen Oberfläche eine glatte Struktur
aufweist,
– die Schleppwirbelbildung reduziert und/oder
– die Leewalzenbildung reduziert und/oder
– der Strömungswiderstand reduziert und/oder
– die Position des Strömungsabrisses relativ zur Bewegungsrichtung des
Fortbewegungsmittels nach hinten verschoben und/oder
– die Geräuschentwicklung reduziert und/oder
– die Vibrationsentwicklung reduziert und/oder
– die Ablagerung von Partikeln auf der Oberfläche reduziert und/oder
– die Eisbildung auf der Oberfläche reduziert.
Dementsprechend umfasst die Erfindung auch die Verwendung einer Oberfläche,
welche eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, als Oberfläche
oder Teil einer Oberfläche eines Fortbewegungsmittels zu einem oder mehreren dieser
Zwecke.
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Schicht, insbesondere ausgebildet
als Folie, zum Aufbringen auf eine Oberfläche oder Teile einer Oberfläche eines
Fortbewegungsmittels, wobei die Aussenseite der Schicht eine Strukturierung aufweist,
die eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen umfasst. Durch Aufbringen
einer solchen Schicht lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile auch durch Nachrüsten
herkömmlicher Fortbewegungsmittel erzielen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei sich
in den einzelnen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Bestandteile
beziehen.
Es zeigen
1: eine schematische Darstellung einer
ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels,
2: eine schematische Darstellung einer
zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels,
3: eine schematische Darstellung einer
dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels,
4: eine schematische Darstellung einer
Antriebsschraube eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels,
5: eine schematische Darstellung eines
Rotors eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels,
6: schematisch die Querschnitte zweier
Tragflächen,
7: schematisch einen mittigen Querschnitt
einer ersten Ausführungsform einer Vertiefung bzw. Erhebung senkrecht zur Oberfläche,
8: eine schematische Darstellung einer
ersten Verteilung von Vertiefungen bzw. Erhebungen,
9: schematisch einen mittigen Querschnitt
einer zweiten Ausführungsform einer Vertiefung bzw. Erhebung senkrecht zur Oberfläche,
10: eine schematische Darstellung einer
zweiten Verteilung von Vertiefungen bzw. Erhebungen,
11: schematisch einen mittigen Querschnitt
senkrecht zu Oberfläche einer dritten Ausführungsform von Vertiefungen bzw. Erhebungen
mit der entsprechenden Draufsicht,
12: eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform einer Oberfläche mit Vertiefungen bzw. Erhebungen, die ebene und
gekrümmte Bereiche aufweist.
1 zeigt einen Hochgeschwindigkeitszug
10, dessen äußere Oberfläche 101 eine Vielzahl von Vertiefungen
aufweist. Bei Bewegung des Zuges werden durch den oben beschriebenen Mechanismus
ausgehend von diesen Vertiefungen sekundäre Vortices in der an der Oberfläche entlang
strömenden Luft erzeugt. Durch diese selbstorganisierenden Vortexstrukturen wird
die Grenzschicht in der Nähe der Oberfläche abgesaugt und in die Hauptströmung geleitet,
wodurch der Strömungswiderstand reduziert und verschiedene negative Strömungseffekte
vermindert werden. Eine besondere Bedeutung kommt hier insbesondere einer reduzierten
Leewalzenbildung bei Seitenwind zu, die bei herkömmlichen Hochgeschwindigkeitszügen
ein großes Problem darstellt.
In 2 ist ein üblicher Düsenjet
20 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Oberflächen
201 der Tragflächen 22 eine Strukturierung mit einer Vielzahl
von Vertiefungen und/oder Erhebungen auf. Diese Strukturierung kann bei der Herstellung
der Tragflächen vorgesehen werden oder auch durch eine nachträglich aufgebrachte
Schicht erzeugt werden, beispielsweise durch Aufbringen einer Folie, die die Strukturierung
aufweist. Die strukturierte Oberfläche kann selbstverständlich mit Vorteil auch
auf weiteren Oberflächen eines solchen Flugzeugs vorgesehen werden, wie beispielsweise
des Rumpfes 21, der hinteren Leitwerke 23 und 24 oder
der Außenseite der Antriebsaggregate 25. Auch könnten beispielsweise die
Turbinenschaufeln der Antriebsaggregate 25 eine erfindungsgemäß strukturierte
Oberfläche aufweisen. Vorteilhafte Effekte eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs
sind beispielsweise eine Reduzierung der Schleppwirbelbildung und eine Verbesserung
der Stall-Eigenschaften. Die Erfindung reduziert außerdem ein insbesondere bei Überschallflugzeugen
auftretendes Problem einer Erhitzung der Aussenhülle durch eine deutliche Verringerung
des Oberflächenwiderstandes. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Oberflächenstrukturierung
der Wärmeübergang zwischen Oberfläche und Medium verbessert, was ebenfalls zu einer
Reduzierung dieses Problems beiträgt.
3 zeigt ein Schiff 30, bei dem
die unter der Wasserlinie 40 liegende Oberfläche 301 des Rumpfes
31 eine Strukturierung mit einer Vielzahl von Vertiefungen aufweist. Eine
erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche 331 kann außerdem auch auf den
Blättern 34 der Antriebsschraube 33 vorgesehen sein. Dies ist
in 4 nochmals im Detail dargestellt.
5 zeigt einen Rotor 50 eines
erfindungsgemäßen Hubschraubers mit zwei Rotorblättern 51, deren Oberfläche
501 eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist. Auch in
diesem Ausführungsbeispiel können die Strömungseigenschaften auf diese Weise positiv
beeinflusst werden. Bei Hubschraubern wirkt sich dies insbesondere durch verbesserten
Lift, verbesserte Stall-Eigenschaften und eine Reduzierung der Geräuschentwicklung
aus. Auf gleiche Weise können auch die Stall-Eigenschaften eines Propellers verbessert
werden.
6 zeigt den Querschnitt eines Profils
einer herkömmlichen Tragfläche 26. Das langgezogene Profil ist erforderlich,
um einen frühzeitigen Strömungsabriss zu vermeiden, der zu einem Verlust des Auftriebs
führen würde. Weist jedoch die Oberfläche einer Tragfläche eine Vielzahl von Vertiefungen
und/oder Erhebungen auf, verschiebt sich der Punkt des Strömungsabrisses entlang
der Strömungsrichtung nach hinten, wodurch völlig neue Tragflächenprofile ermöglicht
werden. Ein solches Profil 27 ist in 6 beispielhaft,
zum Vergleich über das herkömmliche Profil 26 gelegt, dargestellt. Durch
solch neuartige Tragflächenprofile kann der Auftrieb signifikant
erhöht beziehungsweise bei gleichem Auftrieb die Dimensionen der Tragfläche deutlich
verringert werden.
7 zeigt einen mittigen Querschnitt einer
bevorzugten Form einer Vertiefung 602 senkrecht zu einer ebenen Oberfläche.
Die Vertiefung 602 in diesem Ausführungsbeispiel hat die Form eines Abschnitts
einer Kugel bzw. einer Kugelkalotte mit Radius R1, Höhe h und Durchmesser
d, und ist mit einem Abrundungsradius R2 abgerundet. Eine Vertiefung
ist in diesem Beispiel rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse durch den Mittelpunkt
der Vertiefung senkrecht zur Oberfläche.
In 8 ist eine bevorzugte Verteilung der
Vertiefungen 602 auf einer ebenen Oberfläche dargestellt. Die Vertiefungen
602 sind periodisch angeordnet, wobei die Mittelpunkte dreier direkt benachbarter
Vertiefungen 602 ein gleichseitiges Dreieck bilden. Der Winkel &agr; beträgt
daher 60°. Der Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Vertiefungen
602 und damit die Seitenlänge des genannten Dreiecks beträgt t2.
Der Abstand zweier aufeinanderfolgender Reihen von Vertiefungen 602 und
damit die Höhe des genannten Dreiecks beträgt t1. t1 und t2
können je nach Einsatzzweck unterschiedliche Werte aufweisen.
9 zeigt einen mittigen Querschnitt einer
weiteren bevorzugten Form einer Vertiefung 702 senkrecht zu einer ebenen
Oberfläche. Die Vertiefung 702 in diesem Ausführungsbeispiel hat die Form
eines Abschnitts eines Ellipsoids mit den Durchmessern E1, E2
und E3, wobei E3 senkrecht zur Zeichenebene liegt und dementsprechend
nicht dargestellt ist. Die Vertiefung weist eine Höhe h und einen Durchmesser d
auf und ist mit einem Abrundungsradius R3 abgerundet.
In 10 ist eine bevorzugte Verteilung
der Vertiefungen 702 auf einer ebenen Oberfläche dargestellt. Diese entspricht
im wesentlichen der in 8 für die Vertiefungen
602 dargestellten Anordnung.
Weitere vorteilhafte Formen und Anordnungen der Vertiefungen und/oder
Erhebungen sind den Anmeldungen EP 92 911 873.5,
PCT RU92/00106 und EP 96 927 047.9, PCT/EP96/03200
zu entnehmen. Dementsprechend weist die Oberfläche vorteilhaft eine dreidimensionale
Struktur auf, wie sie beispielhaft in 11 schematisch
dargestellt ist, mit Vertiefungen oder Erhebungen 802, gekrümmten Gebieten
und Übergangsgebieten. In dem im oberen Bereich der 11
dargestellten Querschnitt der Oberfläche erstrecken sich die Vertiefungen bzw. Erhebungen
entlang deren Durchmesser d, die gekrümmten Gebiete entlang der Strecke lc
und die Übergangsgebiete entlang der Strecke ltr. Der Abstand zweier
Vertiefungen ist wiederum mit t2 bezeichnet.
Ein beliebiger Abschnitt der Vertiefungen oder Erhebungen
802 entlang der Oberfläche hat die Gestalt einer glatten und durchgehenden
Linie, die durch folgende Beziehung beschreibbar ist:
worin:
– r(&phgr;,z) der Abschnittsradius in Richtung des Winkels &phgr; (in
Winkelmaß) ist, der von der Strecke aus, die die Zentren von benachbarten Vertiefungen
und/oder Erhebungen verbindet oder von einer beliebigen Strecke aus, die in dem
gekennzeichneten Abschnitt liegt, zu zählen ist;
– z die Abschnittshöhe über dem niedrigsten Punkt der Vertiefungen ist
oder der Abschnittsabstand vom höchsten Punkt der Erhebungen ist;
– r(h,0) der Radius des Vertiefungs- oder Erhebungsabschnitts in Richtung
des Winkels &phgr; = 0° ist;
– &Dgr;r = r(h,180°) – r(h,0°) die Differenz zwischen den
Radien des Vertiefungs- oder des Erhebungsabschnitts in Richtung der Winkel &phgr;
= 180° und &phgr; = 0° ist;
– lc die Abmessung des gekrümmten Bereichs projiziert auf eine
Ebene, die parallel zur Ebene der Oberfläche verläuft, ist;
– k ein Koeffizient ist mit 0,3 < k < 0,7;
– A1 ein Koeffizient ist mit -1 < A1 < 1;
– A2 ein Koeffizient ist mit -1 < A2 < 1; und
– h die Tiefe bzw. Höhe der Vertiefungen bzw. Erhebungen ist.
In den gekrümmten Gebieten sind die Vertiefungen bzw. Erhebungen vorteilhaft
mit einem Abrundungsradius von R > 3·h zu den Übergangsgebieten
hin abgerundet.
Vorteilhaft liegt der Wert von h zwischen dem 0,005- und dem 0,3-fachen
der Dicke der Grenzschicht. Mit d dem Durchmesser der Vertiefungen oder Erhebungen
gelten außerdem vorzugsweise die folgenden Beziehungen:
2·h < d < 40·h, insbesondere 2·h < d < 10·h,
0,3·d < lc < 0,5·d und
0,05·d < ltr < 3·d.
Die in Gleichung (1) enthaltenen Parameter können abhängig von der
Art des Mediums, der Form und den Dimensionen der Oberfläche, der Strömungsgeschwindigkeit,
der Temperatur des Mediums und der Oberfläche, sowie weiteren die Strömung beinflussenden
Faktoren unterschiedlich gewählt werden.
12 zeigt eine Oberfläche, die zumindest
einen ebenen Bereich 601 und einen gekrümmten Bereich 901 aufweist.
Wird eine solche Oberfläche von einem Medium umströmt, ist es aufgrund unterschiedlicher
Strömungszustände in den unterschiedlichen Bereichen vorteilhaft, wenn sich die
Vertiefungen bzw. Erhebungen 602 in dem ebenen Bereich 601 in
Form und/oder Größe und/oder Anordnung von den Vertiefungen bzw. Erhebungen
902 in dem gekrümmten Bereich 901 unterscheiden. Auch kann dies
allein aus geometrischen Gründen erforderlich sein, da bei einer starken Krümmung
der Oberfläche beispielsweise eine sinnvolle Größe der Vertiefungen bzw. Erhebungen
beschränkt ist.
Die 13a und 13b
zeigen das Modell eines Zuges mit einer Oberfläche, welche eine Vielzahl von Vertiefungen
aufweist. Die Form der in diesem Modell verwendeten Vertiefungen entspricht im wesentlichen
den in 7 dargestellten, angepasst an die Krümmung der
Oberfläche. Zu erkennen ist auch eine Variation in Größe und Verteilung der Vertiefungen
zwischen unterschiedlich gekrümmten Bereichen der Oberfläche.
Die Strömungseigenschaften dieses Modells wurden in einem Windkanal
gemessen. Dabei ergab sich ein um 16% reduzierter Oberflächenwiderstand, sowie eine
deutlich reduzierte Leewalzenbildung. Weiterhin ergaben Messungen in einem Medium,
das turbulente Strömungen aufwies, eine signifikante Reduzierung der Vibrationsentwicklung.
Anspruch[de]
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) mit zumindest
einer Oberfläche (101, 201, 301), entlang der bei Bewegung
des Fortbewegungsmittels (10, 20, 30) ein umgebendes
Medium strömt, wobei die zumindest eine Oberfläche (101, 201,
301) eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder
Erhebungen (602, 702, 802, 902) umfasst.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach Anspruch
1, wobei die zumindest eine Oberfläche (101, 201, 301)
derart ausgebildet ist, dass sich in der Nähe der zumindest einen Oberfläche (101,
201, 301) Vortices in dem umgebenden Medium bilden, wenn das Medium
an der zumindest einen Oberfläche (101, 201, 301) entlang
strömt.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach einem
der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vertiefungen und/oder Erhebungen (602,
702, 802, 902) im Bereich des Randes zum Rest der Oberfläche
(101, 201, 301) hin abgerundet sind.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach einem
der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vertiefungen und/oder Erhebungen (602,
702) im wesentlichen die Form eines Abschnitts einer Kugel oder eines Ellipsoids
aufweisen.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach einem
der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Einrichtung zum Variieren der Form und/oder
der Anzahl der Vertiefungen und/oder Erhebungen (602, 702).
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach einem
der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vertiefungen und/oder Erhebungen (602,
702, 802, 902) zumindest abschnittsweise im wesentlichen
periodisch auf der zumindest einen Oberfläche (101, 201,
301) angeordnet sind.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach einem
der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Oberfläche
(101, 201, 301) zumindest einen ersten, im wesentlichen
ebenen Bereich (601) und zumindest einen zweiten, im wesentlichen gekrümmten
Bereich (901) umfasst.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach Anspruch
7, wobei sich die Vertiefungen und/oder Erhebungen (602, 902)
in dem zumindest einen ersten Bereich (601) und in dem zumindest einen
zweiten Bereich (901) in Form und/oder Größe und/oder Anordnung unterscheiden.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach Anspruch
7 oder 8, wobei zumindest in dem zumindest einen ersten, im wesentlichen ebenen
Bereich (601) der zumindest einen Oberfläche (101, 201,
301) die Mittelpunkte dreier direkt benachbarter Vertiefungen und/oder
Erhebungen (602) ein gleichseitiges Dreieck bilden und der Abstand der
Mittelpunkte zweier benachbarter Vertiefungen und/oder Erhebungen (602)
einen im wesentlichen konstanten ersten Wert (t2) und der Abstand zweier
aufeinanderfolgender Reihen von Vertiefungen und/oder Erhebungen (602)
einen im wesentlichen konstanten zweiten Wert (t1) aufweisen.
Fortbewegungsmittel (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
ausgebildet als Landfahrzeug, insbesondere als Schienenfahrzeug oder als Last- oder
Personenkraftwagen, umfassend zumindest eine Aussenhülle, wobei zumindest Teile
der Oberfläche (101) der Aussenhülle eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder
Erhebungen aufweisen.
Fortbewegungsmittel (10) nach Anspruch 10, wobei durch die
zumindest eine Oberfläche (101), welche eine Vielzahl von Vertiefungen
und/oder Erhebungen aufweist, die Leewalzenbildung reduziert ist gegenüber einem
ansonsten identischen Fortbewegungsmittel, bei dem die zumindest eine Oberfläche
eine glatte Struktur aufweist.
Fortbewegungsmittel (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
ausgebildet als Luftfahrzeug, insbesondere als Flugzeug oder Hubschrauber, umfassend
zumindest eine Aussenhülle und/oder einen Propeller und/oder einen Rotor und/oder
eine Turbine und/oder eine Tragfläche und/oder eine Lenkfläche und/oder ein Leitwerk,
wobei zumindest Teile der Oberflächen (201) der Aussenhülle und/oder des
Propellers und/oder des Rotors und/oder der Turbine und/oder der Tragfläche und/oder
der Lenkfläche und/oder des Leitwerks eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen
aufweisen.
Fortbewegungsmittel (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
ausgebildet als Wasserfahrzeug, umfassend zumindest einen Rumpf (31) und/oder
eine Antriebsschraube (33), wobei zumindest Teile der Oberflächen (301)
des Rumpfes (31) und/oder der Antriebsschraube (33) eine Vielzahl
von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach einem
der vorstehenden Ansprüche, wobei durch die zumindest eine Oberfläche (101,
201, 301), welche eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen
(602, 702, 802, 902) aufweist, gegenüber einem
ansonsten identischen Fortbewegungsmittel, bei dem die zumindest eine Oberfläche
eine glatte Struktur aufweist,
– die Schleppwirbelbildung reduziert ist und/oder
– die Leewalzenbildung reduziert ist und/oder
– der Strömungswiderstand reduziert ist und/oder
– die Position des Strömungsabrisses relativ zur Bewegungsrichtung des Fortbewegungsmittels
(10, 20, 30) nach hinten verschoben ist und/oder
– die Geräuschentwicklung reduziert ist und/oder
– die Vibrationsentwicklung reduziert ist.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach einem
der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ablagerung von Partikeln auf der zumindest
einen Oberfläche (101, 201, 301), welche eine Vielzahl
von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, reduziert ist gegenüber einer glatten
Oberfläche, wenn ein Medium an der Oberfläche entlang strömt.
Fortbewegungsmittel (10, 20, 30) nach einem
der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eisbildung auf der zumindest einen Oberfläche
(101, 201, 301), welche eine Vielzahl von Vertiefungen
und/oder Erhebungen aufweist, reduziert ist gegenüber einer glatten Oberfläche,
wenn ein Medium an der Oberfläche entlang strömt und die Oberfläche eine niedrigere
Temperatur als das Medium aufweist.
Verwendung einer Oberfläche, welche eine Vielzahl von Vertiefungen
und/oder Erhebungen aufweist, als Oberfläche (101, 201,
301) eines Fortbewegungsmittels (10, 20, 30)
zum – Reduzieren der Schleppwirbelbildung und/oder
– Reduzieren der Leewalzenbildung und/oder
– Reduzieren des Strömungswiderstandes und/oder
– Verschieben der Position des Strömungsabrisses nach hinten relativ zur Bewegungsrichtung
des Fortbewegungsmittels (10, 20, 30) und/oder
– Reduzieren der Geräuschentwicklung und/oder
– Reduzieren der Vibrationsentwicklung und/oder
– Reduzieren von Partikelablagerungen, wenn ein Medium an der Oberfläche entlang
strömt, und/oder
– Reduzieren von Eisbildung, wenn ein Medium an der Oberfläche entlang strömt.
Schicht, insbesondere Folie, zum Aufbringen auf eine Oberfläche oder
Teile einer Oberfläche eines Fortbewegungsmittels, wobei die Aussenseite der Schicht
eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhebungen
umfasst.