- distributed micro-roughness (DMR) verzögert mit feiner zufälliger Rauheit den Übergang zur Turbulenz – im Gegensatz zum seit über 80 Jahren geltenden Prinzip, dass glatte Oberflächen den Luftwiderstand verringern
- Ein Forschungsteam der Tohoku University wies mit dem 1m magnetic support balance system nach, dass sich der Luftwiderstand auf DMR-Oberflächen ohne Störeinflüsse durch Halterungen um bis zu 43,6 % senken lässt
- Das experimentelle DMR bestand aus konvexen Mustern aus 38–53 Mikrometer großen Glaskugeln und konkaven Mustern durch Sandstrahlen; die Höhe betrug nur 1 % der Grenzschichtdicke
- Beim mit DMR versehenen Modell stieg die kritische Reynolds-Zahl von etwa 1,9×10⁶ auf 2,2×10⁶, und bis 3,6×10⁶ zeigte es einen niedrigeren Widerstandsbeiwert als eine glatte Oberfläche
- Anders als Golfball-Dimples oder Riblets nach Haifischhaut-Vorbild reduziert DMR eher die Wandreibung als den Druckwiderstand und ist eine passive Technik ohne Richtungsabhängigkeit, Energiebedarf oder Antrieb
Ein Wandel beim Prinzip der Luftwiderstandsreduktion
- Bei schnellen Flugzeugen, Autos und Hochgeschwindigkeitszügen ist Luftwiderstand eine zentrale Hürde für höhere Geschwindigkeiten und geringeren Energieverbrauch
- Bewegt sich ein Objekt mit hoher Geschwindigkeit, bildet sich an seiner Oberfläche eine dünne Luftschicht, die Grenzschicht, die entweder geordnet laminar oder ungeordnet turbulent sein kann
- Je länger die reibungsarme laminare Strömung erhalten bleibt, desto geringer ist der Luftwiderstand, doch bei höheren Geschwindigkeiten geht die Strömung in Turbulenz über
Das seit über 80 Jahren geltende Prinzip glatter Oberflächen
- In der Luftfahrttechnik galt über mehr als 80 Jahre der Grundsatz, dass eine Oberfläche glatt sein muss, um den Luftwiderstand zu verringern
- Diese Annahme beruht auf einer 1940 durchgeführten Studie des japanischen Wissenschaftlers Ichiro Tani
- Tani befasste sich mit dem Zusammenhang zwischen Oberflächenrauheit und dem Übergang zur Turbulenz
- Er ging davon aus, dass die mit den damaligen Fertigungstechniken kaum vermeidbare Oberflächenrauheit die Realisierung laminarer Strömung behindert
- 1989 interpretierte Tani experimentelle Daten neu, die der Strömungsforscher Johann Nikulase in den 1930er Jahren an Rohren mit rauer Oberfläche gewonnen hatte
- Dabei zeigte sich, dass Rauheit den Übergang zur Turbulenz und den Strömungswiderstand möglicherweise nicht immer erhöht
- Das Forschungsteam von Yasuaki Kohama an der Tohoku University zeigte in den 1990er Jahren, dass feine faserartige Mikrostrukturen auf der Oberfläche den Übergang unter bestimmten Bedingungen verzögern können
Experimenteller Nachweis verteilter Mikrorauheit (DMR)
- Das Team um die außerordentliche Professorin Aiko Yakino am Institute of Fluid Science der Tohoku University hat nachgewiesen, dass sich der Luftwiderstand allein durch distributed micro-roughness (DMR) – also so kleine und unregelmäßige Oberflächenrauheit, dass sie mit bloßem Auge kaum zu erkennen ist – um bis zu 43,6 % senken lässt
- DMR funktioniert anders als bestehende Techniken zur Verringerung des Luftwiderstands wie Riblets, also eine „Haifischhaut“-Behandlung
- Riblets ahmen die feinen längs verlaufenden Rillen der Haifischhaut nach
- Entlang der Strömungsrichtung werden etwa 0,1 mm breite Rillen eingebracht, um Wirbel nahe der Wand in turbulenten Bereichen auszurichten
- DMR verzögert mit zufälligen feinen Unebenheiten den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung
- Beide Ansätze unterscheiden sich sowohl im beeinflussten Strömungsbereich als auch im Wirkmechanismus
Windkanalmessung ohne Halterung
- Herkömmliche Windkanalversuche haben den Nachteil, dass Stäbe und Drähte zur Befestigung des Modells die Luftströmung stören
- Die feinen Änderungen des Luftwiderstands, die durch Oberflächenrauheit im Mikromaßstab entstehen, konnten dadurch von den Stützstrukturen überdeckt werden
- Das 1m magnetic support balance system (1m-MSBS) des Institute of Fluid Science der Tohoku University reduziert dieses Problem
- Mithilfe elektromagnetischer Kräfte wird ein etwa 1,07 m langes stromlinienförmiges Modell im Windkanal berührungslos schwebend gehalten
- Dadurch werden Störungen der Luftströmung um das Modell durch Halterungen oder andere Stützmittel vermieden
- Das Forschungsteam maß den Gesamtwiderstandsbeiwert von glatten Oberflächen und DMR-beschichteten Oberflächen im Reynolds-Zahl-Bereich von 0,35×10⁶ bis 3,6×10⁶
- Die Reynolds-Zahl ist das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften in einem Fluid
- Sie ist ein zentraler Indikator zur Vorhersage, ob eine Strömung laminar oder turbulent ist
DMR-Struktur und Messergebnisse
- Im Experiment wurden zwei Arten von DMR verwendet
- konvexe Muster aus Glaskugeln mit 38–53 Mikrometer Durchmesser
- konkave Muster, erzeugt durch Sandstrahlen
- Die Höhe der DMR-Beschichtung betrug nur 1 % der Grenzschichtdicke und wird aus strömungsmechanischer Sicht daher als „glatte Oberfläche“ eingestuft
- Beim DMR-beschichteten Modell erhöhte sich die kritische Reynolds-Zahl, bei der der Übergang zur Turbulenz beginnt, von etwa 1,9×10⁶ auf 2,2×10⁶
- Im Übergangsbereich verringerte sich der Luftwiderstand um bis zu 43,6 %
- Die mit DMR versehene Oberfläche zeigte bis zur höchsten gemessenen Reynolds-Zahl von 3,6×10⁶ durchgängig einen niedrigeren Widerstandsbeiwert als die glatte Oberfläche
Ein Mechanismus, der nicht den Druckwiderstand, sondern die Wandreibung reduziert
- Luftwiderstand wird im Wesentlichen in Druckwiderstand und Reibungswiderstand unterteilt
- Druckwiderstand entsteht durch Ablösung der Strömung hinter dem Objekt
- Reibungswiderstand entsteht durch die Viskosität der Luft an der Oberfläche und nimmt ab, wenn die Strömung länger laminar bleibt
- Um die Ursache des DMR-Effekts zu unterscheiden, nutzte das Forschungsteam large eddy simulation (LES)
- LES ist eine Methode der numerischen Strömungsmechanik, bei der große turbulente Wirbel direkt berechnet und kleine Wirbel modelliert werden
- In dieser Studie verwendete die LES eine Auflösung von bis zu 45,38 Millionen wall cells
- Zur Überprüfung der Oberflächenströmung wurde zudem eine oil flow visualization mit fluoreszierender Farbe und ähnlichen Verfahren eingesetzt
- In der LES-Analyse wurde für den Druckwiderstand im laminaren Rechenfall ohne künstliche Störungen eine konservative Obergrenze von Cp≈0.00021 angesetzt
- Dieser Wert stimmt innerhalb von 1 % mit dem Theoriewert überein
- Die in dieser Studie beobachtete Verringerung des Widerstands von ΔCD≈0.001 entspricht etwa dem Fünffachen dieser Obergrenze
- Selbst wenn die Ablösung hinter dem Objekt vollständig beseitigt würde, ließen sich damit nur etwa 20 % der beobachteten Verringerung erklären
- Quantitativ wurde bestätigt, dass der hauptsächliche Grund für die Widerstandsreduktion durch DMR nicht die Unterdrückung der Ablösung, sondern die Verringerung der Wandreibung selbst ist
Unterschied zu Golfball-Dimples und Haifischhaut-Behandlungen
- Das DMR-Prinzip unterscheidet sich vom Effekt von Golfball-Dimples
- Dimples machen die Luftströmung gezielt turbulent, um die Ablösung auf der Rückseite zu unterdrücken und den Druckwiderstand zu verringern
- DMR verzögert den Übergang zur Turbulenz und senkt nicht den Druckwiderstand, sondern die Wandreibung
- DMR hat auch gegenüber Riblets eigene Vorteile
- Damit Riblets wirken, müssen die Rillen präzise in Strömungsrichtung ausgerichtet gefertigt werden
- Bei DMR ist die Oberflächenrauheit zufällig und nicht von der Strömungsrichtung abhängig
- Es handelt sich um eine passive Technik ohne bewegliche Teile und ohne Strombedarf
Anwendungsmöglichkeiten und künftige Aufgaben
- Bei einer Anwendung von DMR an Flugzeugen werden Verbesserungen der Treibstoffeffizienz erwartet, die Betriebskosten und CO2-Emissionen senken könnten
- Das Forschungsteam plant, Form und Verteilungsdichte von DMR weiter zu optimieren und den anwendbaren Geschwindigkeitsbereich zu erweitern
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Wer schon einmal Regattayachten oder Foil-Rennen gefahren ist, weiß, dass Unterwasseroberflächen den geringsten Reibungswiderstand haben und die beste laminare Strömung zeigen, wenn sie fein mit 1000er- bis 1500er-Schleifpapier geschliffen wurden.
In der Luft ist das offenbar nicht so, und ich fand es immer seltsam, dass bei Flugzeugtragflächen Hochglanz als ideal galt. Jetzt sieht es so aus, als würden auch Tragflächen in Bezug auf minimalen Reibungswiderstand von mikroskopischer Rauheit profitieren.
Erstaunlich ist, wie eine so einfache Tatsache in einem Forschungsfeld mit so viel Forschung und Geld unbekannt bleiben konnte; vermutlich wussten nur die paper-schreibenden Forscher nichts davon.
Dieser Bereich liegt zwischen laminarer und turbulenter Strömung; laminare Strömung hat normalerweise einen fünfmal geringeren Widerstand als turbulente und tritt bei Reynolds-Zahlen von etwa 500.000 bis 1.000.000 auf.
Ein Surfbrett liegt bei einer Reynolds-Zahl von 10^7 und ist damit vollständig turbulent, eine Cessna eher bei 1~5x10^6.
Die konkreten Verfahren und die Umsetzung können allerdings neuer sein oder sich etwas von früher unterscheiden.
Wir leben in einer sensationsgetriebenen Gesellschaft, in der iterative Verbesserungen oder manchmal sogar bloßes Kopieren als Revolution dargestellt werden.
Wenn man zeigen müsste, dass eine 737 40 % weniger Treibstoff verbraucht, würde das nicht passieren, aber der Herstellungsprozess für die Außenhaut eines Flugzeugs kann vielleicht ein wenig besser werden.
Man kann den Rumpf schließlich nicht jede Woche neu schleifen, und wichtig ist auch, dass das Ganze ohne Wartung zuverlässig funktioniert.
Aus meiner Zeit, in der ich mich mit der Aerodynamik von RC-Gleitern beschäftigt habe, würde ich sagen, dass Luft je nach Flugzeuggröße und Geschwindigkeit einen breiteren Bereich von „Viskosität“ hat, ausgedrückt als Reynolds-Zahl.
Bei Golfbällen, RC-Flugzeugen, kommerziellen Jets und Kampfjets können sich die ideale Aerodynamik oder nützliche Techniken wie Winglets oder Dimples deutlich unterscheiden.
Interessant ist auch, dass die Winglet-Effizienz schon lange bekannt war, aber erst relativ spät auf fast alle Passagierflugzeuge angewendet wurde.
Das waren Versuche, die mikroskopische Rauheit von Haifischhaut nachzuahmen.
Die eigentliche Arbeit ist hier: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mec...
Es galt lange als selbstverständlich, dass „je glatter die Oberfläche, desto geringer der aerodynamische Widerstand“, daher ist es überraschend, dass das nicht immer stimmt.
Ich habe immer gehört, dass Golfball-Dimples den Widerstand verringern.
Dimples machen die Luftströmung absichtlich turbulent und unterdrücken die Ablösung im Nachlauf, wodurch der Druckwiderstand sinkt; DMR verzögert dagegen den Übergang und reduziert nicht den Druckwiderstand, sondern die Wandreibung selbst.
Das sind entgegengesetzte Mechanismen.
Mich würde nur interessieren, wie groß der Unterschied relativ gesehen ist.
Manche Verbesserungen lohnen den Aufwand, aber bei mehr als 20 % wäre es plausibel, und wenn alle Dimple-Golfbälle benutzen, ist das nur ein Gedankenexperiment.
Warum haben Tischtennisbälle dann keine Dimples?
Wirbel zerlegen große Lufttaschen und reduzieren so den Widerstand.
Runde Oberflächen wie ein Ball profitieren von Dimples, gerade Formen eher wie ein Pfeil vielleicht nicht.
Ich weiß es nicht genau, aber die Geschwindigkeit scheint ebenfalls Einfluss zu haben.
Mein Adblocker hat vermutlich mit der „Abonnieren zum Lesen“-Funktion kollidiert, aber die Art des Fehlers war ziemlich komisch.
Beim Öffnen der Seite sieht man das Titelbild und die Überschrift, und darunter nur „Subscribe to listen [9 minutes]“ sowie einen Satz wie „Aerodynamischer Widerstand ist ein zentrales Hindernis für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge, Autos und Hochgeschwindigkeitszüge …“.
Danach kommen nur noch Kommentare und Links zu anderen Artikeln, und es gibt keinerlei Hinweis darauf, dass es außer der Audioaufnahme noch einen eigentlichen Artikeltext gibt.
Das könnte einige der Kommentare erklären, die den „Artikel nicht gelesen“ haben. Wobei so etwas natürlich ohnehin vorkommt.
Ein Archivlink oder so wäre mir lieber.
Manche Websites sind in letzter Zeit ziemlich aggressiv.
Dieser Teil wirkt entweder wie ein Fehler oder wie eine lange Geschichte für sich.
Dort steht, dass der japanische Wissenschaftler Ichiro Tani 1940 den Zusammenhang zwischen Oberflächenrauheit und turbulentem Übergang zeigte und argumentierte, dass die mit der damaligen Fertigungstechnik unvermeidliche Oberflächenrauheit das Erreichen laminarer Strömung verhindere.
Wenn Tani dann 1989 durch eine Neuinterpretation von Johann Nikulases Daten aus Rohrversuchen mit rauen Oberflächen aus den 1930er Jahren vorgeschlagen hat, dass „Rauheit nicht notwendigerweise nur den turbulenten Übergang fördert und den Strömungswiderstand erhöht“, dann hat er sich 49 Jahre lang mit demselben Problem befasst.
Tatsächlich ist das möglich, denn er starb 1990.
Wenn die Anwendung tatsächlich so einfach ist wie Sandstrahlen, dann wirkt es so, als ließe sich das auch bei bestehenden Flugzeugen relativ leicht als Nachrüstung umsetzen.
Wenn es wie beschrieben funktioniert, käme das praktisch einem kostenlosen, noch am selben Tag umsetzbaren Effizienzgewinn beim Treibstoffverbrauch nahe.
Die tatsächliche Nettoverbesserung habe ich allerdings nicht gesehen.
Die im Artikel genannten Prozentwerte beziehen sich auf den „Übergangsbereich“, und obwohl gesagt wird, dass sich die Koeffizienten insgesamt verbessern, könnte das praktisch fast bedeutungslos sein, wenn die Verbesserung über das gesamte Tragflächenprofil theoretisch nahe null liegt.
Unter realen Bedingungen scheint es außerdem sehr schwierig, einen derart feinen Grad an Verschleiß über längere Zeit konstant aufrechtzuerhalten, weil so etwas leichter verstopfen oder stärker abgetragen werden könnte.
Wenn man ein bestimmtes Flugzeug umrüsten will, gibt es wahrscheinlich viele regulatorische Hürden, bevor Tests oder Zulassung möglich sind.
Bei zertifizierten Flugzeugen gilt das ganz besonders, und selbst in der Welt experimenteller Flugzeuge könnte es Widerstand dagegen geben, jemandes Flügel sandzustrahlen.
Falls diese Technik nicht ohnehin schon ausprobiert wurde, halte ich es für wahrscheinlicher, dass zunächst irgendwo wie in der Formula 1 damit experimentiert wird.
Ein Unternehmen behauptet, bis zu 4 % Treibstoff einzusparen: https://mako.aero/insights/delta-partners-with-mako-to-test-...
Eine einzige Beschichtung kann darüber entscheiden, ob etwas routinemäßige Temperaturschwankungen über 10.000 Flüge hinweg aushält oder nur über 1.000 Flüge, deshalb muss das von Anfang an mitgedacht werden.
Flugzeugtragflächen erodieren durch hohe Geschwindigkeit und Partikel in der Luft, also Staub, Eis, Vulkanasche und Regen/Wasser.
Diese Erosion ist bereits ein Problem, das erhebliche Gegenmaßnahmen erfordert; die Oberfläche absichtlich rau zu machen, könnte daher unerwartete Folgen haben oder ein noch größeres Problem verursachen.
Trotzdem halte ich die Technik für testenswert.
Eine interessante Entdeckung, aber die grundlegenden Prinzipien wurden nicht auf den Kopf gestellt.
In der Strömungslehre habe ich gelernt, dass es Formwiderstand gibt, im Wortlaut des Artikels Druckwiderstand, und Reibungswiderstand an der Oberfläche.
Beide stehen je nach Reynolds-Zahl in einem Zielkonflikt.
Hält man die Strömung laminar, sinkt der Reibungswiderstand an der Oberfläche, sodass eine glatte Oberfläche vorteilhaft erscheint; hält man die Strömung jedoch länger anliegend, kann man den Formwiderstand durch Mittel wie Turbulenzerzeugung oder Lufteinblasung senken, bezahlt aber mit höherem Reibungswiderstand durch die Turbulenz.
Diese Forschung liest sich so, als hätte man einen guten Weg gefunden, die laminare Strömung aufrechtzuerhalten und zugleich die Strömungsablösung zu verzögern, aber die Grundprinzipien haben sich nicht geändert.
„Glatt bedeutet geringer Widerstand“ war nie eine allgemeine Regel, sondern stimmt nur auf bestimmten Skalen.
https://archive.ph/DbcqV
https://archive.is/20260524231039/https://www.wired.com/stor...
Dass ein selbsttragendes Balance-System mittels elektromagnetischer Kräfte ein stromlinienförmiges Modell im Windkanal berührungslos schweben lassen kann, ist ziemlich cool.
Vermutlich ist auch die Änderung der Magnetfeldstärke, die nötig ist, um den Prüfkörper in der Schwebe zu halten, ein Indikator für die Änderung der auf den Körper wirkenden Kräfte.