Drag Reduction
Aktive Strömungsbeeinflussung für transsonische Tragflügel
Reduzierung des Reibungswiderstands durch wandernde Wellen
Der Hautreibungswiderstand in turbulenten, wandgebundenen Strömungen trägt maßgeblich zum gesamten aerodynamischen Widerstand von Fahrzeugen wie beispielsweise Flugzeugen bei. Bei Passagierflugzeugen macht die turbulente Oberflächenreibung während des Reiseflugs einen großen Anteil des Gesamtwiderstands aus. Die Reduzierung dieser Reibung ist daher ein wichtiger Schritt zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Erfüllung künftiger CO₂-Reduktionsziele in der Luftfahrt sowie in anderen Verkehrstechnologien.
Zur Reduzierung des turbulenten Hautreibungswiderstands existieren im Wesentlichen zwei Ansätze: die passive und die aktive Strömungsbeeinflussung. Passive Techniken verändern die Oberflächengeometrie, erfordern jedoch keinen externen Energieeintrag. Ein bekanntes Beispiel hierfür sind Riblets – kleine, strömungsparallel ausgerichtete Oberflächenrillen, die von der Haifischhaut inspiriert sind. Da sie ohne zusätzlichen Energieverbrauch arbeiten, sind Riblets für praktische Anwendungen attraktiv, wenngleich ihre Leistungsfähigkeit typischerweise für einen spezifischen Strömungszustand optimiert ist. Im Gegensatz dazu führen aktive Techniken der Strömungsbeeinflussung Energie in die Strömung ein, um turbulente Strukturen direkter zu modifizieren. Zwar erfordert dies eine gewisse Antriebsleistung, doch lassen sich diese Methoden häufig an wechselnde Betriebsbedingungen anpassen und können potenziell eine stärkere Widerstandsreduzierung oder sogar Netto-Energieeinsparungen erzielen. Viele aktive Strategien zielen darauf ab, den wandnahen Turbulenzzyklus zu beeinflussen, der für die Entstehung der turbulenten Hautreibung verantwortlich ist.
Eine der am intensivsten untersuchten aktiven Techniken ist die Oszillation der Wand in Quer- oder Längsrichtung. Numerische Simulationen haben erstmals gezeigt, dass eine laterale Oszillation der Wand den turbulenten Widerstand signifikant verringern kann, indem sie die Wechselwirkung zwischen der Wand sowie den wandnahen Streifenstrukturen und Wirbeln verändert. Diese oszillierende Bewegung erzeugt eine schwingende Querscherschicht nahe der Wand, welche die für den hohen Hautreibungswiderstand verantwortlichen turbulenten Strukturen abschwächt.
Die Abbildung zeigt Konturen des Q-Kriteriums, die die turbulenten Strukturen in der Grenzschicht um ein DRA2303-Profil visualisieren, welches mit einer in Strömungsrichtung laufenden Wellenaktuierung an der Oberfläche ausgestattet ist. Die Farbskala stellt die normierte Geschwindigkeit in Strömungsrichtung $u/u_\infty$ dar.
In der oberen Teilabbildung modifiziert die Oberflächenbewegung die wandnahe turbulente Strömung unter Unterschallbedingungen ($Ma = 0,2$),
was zu einem verringerten Reibungswiderstand sowie einem reduzierten Druckwiderstand führt. Die untere Teilabbildung zeigt die in Strömungsrichtung laufenden Wellen in einer transsonischen Strömung ($Ma = 0,7$), wobei die Stoßwelle durch eine Ebene visualisiert wird, die annähernd senkrecht zum Profil steht.