Eine mit kleinen Vertiefungen bedeckte Oberfläche verringerte in Simulationen den Strömungswiderstand um 13,2 %.
Diese Vertiefungen, die auch als Dellen bezeichnet werden, verändern die Art und Weise, wie sich ein Fluid in unmittelbarer Nähe einer Wand bewegt. Die Idee erinnert an die Oberfläche eines Golfballs. Hier suchen die Forschenden jedoch vor allem nach einer Verringerung der Reibung an einer Oberfläche. Eine ungeeignete Form kann übrigens den gegenteiligen Effekt haben und den Widerstand erhöhen.
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Um eine effiziente Geometrie zu finden, variierte das Team vier Merkmale: die Form, die Tiefe, die Größe und die Streckung der Vertiefungen. Der untersuchte Parameterraum umfasste 1 575 mögliche Kombinationen. Jede einzelne Kombination mit einer detaillierten Simulation zu testen, hätte sehr viele Berechnungen erfordert. Daher verwendeten die Forschenden eine Optimierungsmethode, die schrittweise die interessantesten Konfigurationen für weitere Tests auswählt.
Jede ausgewählte Konfiguration wurde anschließend durch eine numerische Simulation einer turbulenten Strömung in einem Kanal bewertet. Der Durchfluss blieb von einem Versuch zum nächsten gleich. So konnten die Forschenden die erforderliche Kraft zur Aufrechterhaltung dieser Strömung mit derjenigen vergleichen, die eine vollkommen ebene Wand erforderte. Dieser Vergleich liefert den Wert der Widerstandsverringerung.
Die beste Konfiguration besteht aus rautenförmigen Vertiefungen, die dicht aneinanderliegen und in Strömungsrichtung verlängert sind. Unter den simulierten Bedingungen verringert sie den Gesamtwiderstand im Vergleich zur ebenen Referenzoberfläche um 13,2 %. Frühere Arbeiten hatten mit anderen Geometrien deutlich bescheidenere Ergebnisse erzielt.
Um dieses Ergebnis zu verstehen, muss man betrachten, was unmittelbar über der Wand geschieht. Bei den besten Mustern bleibt das Fluid an der Oberfläche anliegend und folgt Strömungswegen in der Nähe von Rillen. Einige andere Formen verursachen dagegen kleine lokale Ablösungen. Diese Bereiche erzeugen zusätzlichen druckbedingten Widerstand und können den Reibungsvorteil vollständig aufheben.
Allein anhand der Tiefe lässt sich daher nicht vorhersagen, ob eine Vertiefung vorteilhaft sein wird. In der Analyse der Forschenden erweist sich die Form als der Parameter mit dem stärksten Einfluss. Auch der Anteil der bedeckten Oberfläche und die Streckung spielen eine Rolle, doch ihre Wirkung hängt von ihrem Zusammenspiel mit den anderen geometrischen Merkmalen ab.
Das Ergebnis bedeutet nicht, dass ein morgen mit diesen Vertiefungen versehenes Flugzeugtragwerk sofort 13,2 % weniger verbrauchen würde. Die Studie befasst sich mit einer kontrollierten Strömung in einem numerischen Kanal, der gewählt wurde, um die wandnahen Phänomene zu isolieren. Ein reales Tragwerk ist anderen Geschwindigkeiten, Krümmungen, Druckschwankungen und äußeren Bedingungen ausgesetzt.
Die Autoren planen, ihre Arbeiten auf Strömungen bei anderen Geschwindigkeits- und Größenordnungen auszuweiten. Eine praktische Anwendung muss außerdem die Herstellung, die Haltbarkeit und die Verschmutzung dieser Reliefs berücksichtigen. Diese Einschränkungen wurden in dieser ersten Untersuchung nicht betrachtet.