EP2407674A2 - Surface placed in a flowing liquid, use of such a surface and method for reducing a flow resistance - Google Patents

Surface placed in a flowing liquid, use of such a surface and method for reducing a flow resistance Download PDF

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EP2407674A2
EP2407674A2 EP11005758A EP11005758A EP2407674A2 EP 2407674 A2 EP2407674 A2 EP 2407674A2 EP 11005758 A EP11005758 A EP 11005758A EP 11005758 A EP11005758 A EP 11005758A EP 2407674 A2 EP2407674 A2 EP 2407674A2
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EP
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recess
fluid
recesses
boundary layer
plane
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EP11005758A
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EP2407674A3 (en
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Peter Neumeyer
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/002—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer
    • F15D1/0025—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply
    • F15D1/003—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply comprising surface features, e.g. indentations or protrusions
    • F15D1/0035—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply comprising surface features, e.g. indentations or protrusions in the form of riblets
    • F15D1/0045—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply comprising surface features, e.g. indentations or protrusions in the form of riblets oriented essentially perpendicular to the direction of flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/002—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer
    • F15D1/0065—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using active means, e.g. supplying external energy or injecting fluid
    • F15D1/008—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using active means, e.g. supplying external energy or injecting fluid comprising fluid injection or suction means

Definitions

  • the invention relates to a surface and the use of such a surface for placing in a flowing fluid having a surface plane, and depressions for reducing the flow resistance. Furthermore, the invention relates to a method for reducing a flow resistance of a surface with a surface plane in which recesses are introduced into the surface.
  • Such objects are from the DE 198 40 303 A1 and EP 1 469 198 A1 known. Thereafter, in the surface of a vehicle or a rotor blade circular segment-like depressions are impressed similar to the surface of a golf ball. By means of these impressions, microturbulences are selectively generated at the surface and in the hydrodynamic boundary layer of the fluid flowing along the surface. The flow resistance is thereby lower than for a surface without such depressions.
  • the disadvantage is that no laminar, but exclusively a turbulent boundary layer is formed on the surface.
  • the boundary layer should be turbulence-free and laminar as long as possible in the flow direction of the fluid.
  • the respective recess for forming a stable rotational movement of a rotatable rotating means is formed in the recess, and that the rotational movement in a surface plane associated contact region has a directed in the flow direction of the fluid movement component.
  • the method of the type mentioned above is characterized in that in each case a rotatable rotatable means for forming a stable rotational movement in the recess is assigned, and that the rotation means is set in the rotational movement, wherein the rotation means in a surface plane associated with the contact area at least partially Flow direction of the fluid is moved.
  • the depression may have a suitable receptacle for receiving the rotatable rotation means.
  • the contact area is the area in which the rotating means and the fluid flowing over the recess along the surface plane contact each other.
  • the differential velocity between the flowing fluid and the rotating means in the contact surface associated with the surface plane is less than the differential velocity of the fluid flowing directly across the rigid surface.
  • a reduced force acts on the hydrodynamic boundary layer resulting according to Prandtl's boundary layer theory in comparison with the rigid surface portions.
  • the thickness of the boundary layer increases less strongly in the flow direction of the fluid.
  • the boundary layer in the flow direction of the fluid is longer laminar.
  • the boundary layer of the fluid undergoes a less braking force along the surface plane.
  • the flow resistance is reduced.
  • the reduced braking force causes a smaller increase in the thickness of the boundary layer in the flow direction of the fluid.
  • the flow resistance is further reduced.
  • the dynamic buoyancy values are improved.
  • the movement component of the rotational movement directed in the flow direction of the fluid preferably has, in the contact region assigned to the surface plane, the greatest amount of three movement components determining the rotational movement.
  • the three components of movement are the first movement component in the flow direction and parallel to the surface plane, the second component of movement parallel to the surface plane and perpendicular to the first component of movement in the flow direction, and the third component of movement perpendicular to the surface plane.
  • the contact region is arranged in a plane with the surface plane.
  • the rotation means is arranged without passing over the surface plane out of the recess inside the recess.
  • the rotating means does not protrude beyond the surface plane and into the fluid flowing along the surface plane. The risk of turbulence in the boundary layer is thereby reduced.
  • the surface has recessed surface portions and non-recessed surface portions. In this case, in each case a rigid surface section without a depression with a surface section with a depression can alternate in the direction of flow of the fluid.
  • the rotation means passes out of the recess above the surface plane. This facilitates the manufacture and integration of the rotating means in the recess. In this case, however, the rotation means only occurs so far over the surface plane in the direction of along the Surface level flowing fluid addition, that as a result, the laminar flow of the boundary layer is not disturbed as possible.
  • the depressions are each formed as a channel.
  • Such channels can be introduced into the surface, for example, by means of a preparation device.
  • the surface is formed as a film with the recesses, which can be applied to an outer surface. This allows a particularly simple retrofitting.
  • a cross-section of the channel for forming the rotational movement of the rotating means is formed about a longitudinal axis of the channel, in particular by means of a drive.
  • the rotation means within the channel rotates about a longitudinal axis of the channel, which is also the axis of rotation for the rotating rotation means.
  • the rotating means has, for example, a cylindrical shape or a tubular shape.
  • the fluid flowing along the surface plane serves as a drive for the rotation of the rotating means.
  • the cross-sections of the recesses may, in particular for generating a laminar rotational flow about the longitudinal axis of the respective recess, have a circular segment-shaped contour.
  • the diameters of the recesses may be of the order of magnitude of the thickness of a hydrodynamic boundary layer, in particular the diameters of the thickness of the boundary layer correspond to the location of the respective recess, preferably the diameters are in the range of 1 mm to 20 mm, particularly preferably in the range of 10 mm 20 mm, and most preferably in a range of 1 mm to 2 mm. This avoids a negative influence on the flowing fluid, in particular also outside the boundary layer of the fluid. In particular, the diameters of the recesses in the flow direction of the fluid become larger. As a result, the increasing in the flow direction of the fluid thickness of the boundary layer is taken into account.
  • the smaller the diameter of the recesses the faster the flow is and / or the lower the viscosity of the fluid. Conversely, it holds true that the diameters of the recesses are greater, the slower the flow is and / or the greater the viscosity of the fluid.
  • the fluid may be a gas and / or a liquid.
  • the diameters of the wells may range between 1 cm and 2 cm. If the fluid is a gas, such as air, the diameters of the recesses may be in a range between 1 mm and 2 mm.
  • the depressions are arranged both in the region of a laminar boundary layer and in the region of a turbulent boundary layer of the fluid.
  • the thickness of the laminar boundary layer increases in the flow direction more and more.
  • the rate of increase of the thickness of the boundary layer depends on the speed gradient between a near-surface layer of the boundary layer and the surface of the surface.
  • the laminar boundary layer becomes unstable and turbulent from a certain thickness of the boundary layer.
  • indentations according to the invention can also be introduced into the surface in the area of the turbulent boundary layer.
  • a surface region with indentations according to the invention for achieving a longer laminar boundary layer can be followed by a surface region with recesses known from the prior art, in particular indentations in the form of a circle segment, for reducing the flow resistance in a turbulent boundary layer.
  • a width of a recess gap for each one depression is determined by two mutually facing surface edges, in particular in the surface plane, and the diameter of the respective depression is greater than the width of the associated recess gap.
  • an axis of rotation resulting from the rotational movement of the respective rotating means is arranged parallel to the surface plane, and preferably the axis of rotation is oriented perpendicular to the direction of flow of the fluid.
  • the width of the recess gap is determined.
  • the opening angle is chosen such that a disturbance of the laminar boundary layer is avoided as far as possible.
  • the opening angle is smaller for larger Reynolds numbers than for smaller Reynolds numbers. Accordingly, the opening angle is greater for smaller Reynolds numbers than for larger Reynolds numbers.
  • the longitudinal axis of the respective recess is the axis of rotation of the rotating means.
  • the fluid is preferably used as the rotation means. This makes it particularly easy to realize a reduction of the flow resistance.
  • the fluid located in the depressions is set into a rotational movement, in particular about a longitudinal axis of the depression, by means of the fluid flowing over the depression along the surface plane.
  • the rotating fluid forms a rotating fluid cylinder.
  • a low-viscosity flow medium in particular in comparison to the fluid, serves as a rotation means. This reduces energy losses due to friction losses between the rotating means and the inner wall of the recess. As a result, a lower differential speed between the rotating means and the fluid flowing over it can be realized in the contact region assigned to the surface plane. Thus, the flow resistance of the surface is further reduced.
  • the low-viscosity flow medium can be introduced into the recesses by means of an introduction device, in particular continuously. In the case of air, for example, helium can be used as the low-viscosity flow medium.
  • a device for cooling and / or heating the depressions may be provided.
  • the friction between the rotation means and the inner wall of a recess can be further reduced.
  • the friction and the associated energy losses are dependent, for example, on the viscosity of a fluid rotating means.
  • the viscosity is again dependent on the temperature.
  • the friction between the rotating means and the inner wall of a recess is reduced by means of cooling with the device.
  • the differential velocity in the contact area between the rotating means and the fluid flowing over it is further reduced, which leads to a further reduced flow resistance for the surface.
  • an inner wall of the recesses has at least one further recess.
  • the friction losses between the rotation means and the inner wall of the respective recess can be reduced.
  • the differential speed between the rotation means and the fluid flowing along the surface plane decreases in the contact region, whereby the flow resistance of the surface is further reduced.
  • At least two recesses may be connected to each other by means of at least one further recess.
  • the friction losses are even further reduced.
  • the further recess is formed according to the preceding description for the recesses in the surface.
  • the depressions and / or the further depressions are arranged in a self-similar arrangement, in particular in a fractal arrangement, and connected to one another. This also reduces the friction losses within the recesses, which leads to a reduced differential speed between the rotation means and the fluid flowing over it and thus to a reduced flow resistance of the surface.
  • the self-similar or fractal arrangements can be introduced by nanotechnology into the surface and / or into the inner walls of the depressions.
  • the surface according to the invention is used as a cladding surface for a means of locomotion and / or as a coating for a device, in particular in the field of medical technology, aircraft construction, wind energy plant construction and / or engine construction.
  • an energy saving by minimizing flow losses, for example in aircraft, ships and / or motor vehicles, allows.
  • the energy saving and thus an increase in efficiency is achieved by reducing the flow resistance during movement through a fluid, such as water and / or air.
  • energy savings can be achieved through optimized flow in engines, such as turbines and / or piston engines.
  • turbulent portions in a bloodstream are reduced. This reduces the risk of damage to platelets, thereby reducing the associated coagulation tendency.
  • Fig. 1 shows a section of a first surface 10 with the features of the invention in a schematic side view.
  • the surface 10 has a surface plane 11, in which a recess 12 is introduced.
  • the recess 12 is formed as a channel 12 having a rectangular cross-section.
  • the surface 10 is flowed by a fluid 13.
  • the fluid 13 has a laminar hydrodynamic boundary layer 14, which is shown here schematically as three superimposed layers. The flow direction of the fluid 13 or the boundary layer 14 is indicated by the arrow 15.
  • a rotation means 16 is arranged in the recess 12.
  • the direction of the rotational movement of the rotating means 16 is indicated by the arrows 17, 18.
  • the rotation means 16 is positioned within the recess 12 and between two mutually facing surface edges 19, 20 of the recess 12.
  • the surface edges 19, 20 are located in the surface plane 11. Further, the surface 10 has rigid surface portions 21, 22.
  • the rotation means 16 does not emerge from the recess 12 beyond the surface plane 11 in the contact region 23.
  • the rotation means 16 in the contact surface 23 associated with the surface plane 11 can emerge from the recess 12 via the surface plane 11.
  • Fig. 2 is a section of a second surface 24 can be seen with the features of the invention in a schematic side view.
  • the surface 24 has a surface plane 25 with recesses 26, 27, 28.
  • the recesses 26, 27, 28 as channels 26, 27, 28 each formed with a circular segment-shaped cross-section.
  • the channels 26, 27, 28 each have a rotation means 29 is arranged, in which case only a rotation means 29 is provided with reference numerals for clarity.
  • the rotation means 29 rotate according to arrow 30 in each case about a longitudinal axis of the channels 26, 27, 28.
  • the rotation means 29 have a cylinder-like cross section with an outer circumferential surface 31.
  • the outer circumferential surface 31 contacts, in a contact region 32, a laminar boundary layer 33 of a fluid 34 flowing along the surface 25.
  • the boundary layer 33 is represented schematically by three layers arranged one above the other.
  • the flow direction of the fluid 34 or the boundary layer 33 is indicated by the arrow 35.
  • Fig. 3 shows a section of a third surface 36 with the features of the invention in a schematic side view.
  • the surface 36 has a surface plane 37 with recesses 38, 39, which are formed here as channels 38, 39 with a circular segment-shaped cross-section.
  • a rotation means (not shown here) is arranged, which according to the arrows 40, 41 rotates about a longitudinal axis of the channels 38, 39.
  • the rotating means contacts a laminar boundary layer 44 of a fluid 45, which flows along the surface 37 in accordance with arrow 46.
  • the boundary layer 44 is shown schematically by three layers arranged one above the other.
  • the further recesses 47 are also formed as channels 47 with a circular segment-shaped cross section, wherein the diameter of the further channels 47 is smaller than the diameter of the channels 38, 39.
  • the cross sections of the further channels 47 are as complete circular rings without the open Areas shown.
  • the further channels 47 are partially introduced into the surface plane 37 of the surface 36 and partly into an inner wall 48, 49 of the channels 38, 39.
  • the channels 38, 39 are connected to each other.
  • the further channels 47 have a fractal-like arrangement.
  • Within the other channels 47 rotate here not shown rotation means.
  • Fig. 4 shows a section of a further surface 50 with the features of the invention in a schematic side view, which has a surface plane 51 with a recess 52.
  • the recess 52 is formed as a channel 52 having a circular segment-shaped cross-section, in which a rotating means not shown here rotates.
  • a laminar boundary layer 53 of a fluid 54 flows in the direction of the arrow 55.
  • the boundary layer 53 is also shown schematically here by three layers arranged one above the other.
  • An inner wall 56 of the channel 52 is associated with further recesses 57, wherein only one of the further recesses 57 is provided with a reference numeral for the sake of clarity.
  • the further recesses 57 are arranged according to a fractal arrangement scheme with a high self-similarity.
  • the further recesses 57 are also formed as channels 57 with a niksegementförmigen cross section in which rotates a not-shown rotating means according to the respective arrows.
  • Fig. 5 is a flowchart for a method with the features of the invention in a schematic view.
  • step S10 After starting the method for reducing a flow resistance of a surface 10, 24, 36, 50 in a fluid 13, 34, 45, 54 according to step S10, recesses 12, 26, 27, 28, 38, 39, 52 according to step S11 introduced into the surface 10, 24, 36, 50.
  • step S12 the recesses 12, 26, 27, 28, 38, 39, 52 are assigned a rotation means 16, 29.
  • the rotation means 16, 29 are set in motion in accordance with step S13 in such a way that the rotation means 16, 19 in a surface plane 11, 25, 37, 51 associated contact region 23, 32, 42, 43 at least partially in the flow direction of the fluid 13, 34th , 45, 54 is moved.
  • step S14 is ended.
  • Fig. 6 shows a section of a wing profile 58 with a laminar boundary layer 61 according to the prior art in a schematic side view.
  • the wing profile 58 has a surface 59 and a front edge 60.
  • the front edge 60 is flowed by a fluid 62 according to arrow 63.
  • the laminar boundary layer 61 the thickness of which increases in the direction of the flow of the fluid 62 according to the arrow 63, increases more and more.
  • the increase in the thickness of the boundary layer 61 is shown schematically here by means of an increasing number of layers in the flow direction of the fluid 62.
  • a schematic velocity profile 68 for the maximum four superimposed layers of the boundary layer 61 wherein the length of a line of the velocity profile 68 represents an amount of velocity.
  • the velocity is lowest in a four-ply boundary layer 61 in the lowermost layer and continues to increase as the distance to the surface 59 increases until the flow velocity of the flowing fluid 62 outside the boundary layer 61 is reached.
  • the boundary layer 61 is initially very thin and the velocity gradient is very high. Further downstream, as the first layer velocity continues to decrease, so does the differential velocity between the first layer and a second layer disposed above the first layer and away from the surface 59. This leads to a negative acceleration of the second layer and an increase in the thickness of the boundary layer 61.
  • the velocity gradient between the first layer and the surface 59 decreases in the flow direction of the fluid 62. This continues in a corresponding manner also for further layers arranged above the second layer, as a result of which the thickness of the boundary layer 61 continues to increase.
  • channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 having a circular segment-shaped cross section are introduced into the surface 10, 24, 36, 50 by means of a preparation device.
  • the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 are introduced into the surface 10, 24, 36, 50 such that the longitudinal axes of the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 parallel to the surface plane 11, 25 , 37, 51 and at right angles to the flow direction of the fluid 13, 34, 45, 54 are arranged.
  • a film with the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 are applied.
  • the diameter of the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 corresponds to the order of the expected thickness of the boundary layer 14, 33, 44, 53 at the location of the respective channel 12, 26, 27, 38, 39, 52
  • Prandtl boundary layer theory a negative influence on the entire flow, in particular the flow outside the boundary layer 14, 33, 44, 53 avoided.
  • the fluid 13, 34, 45, 54 and its boundary layer 14, 33, 44, 53 flows over the surface 10, 24, 36, 50, the fluid 13, 34, 45, 54 in the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 used as a rotation means 16, 29 and set in a rotational movement. Accordingly, the fluid 13, 34, 45, 54 flowing along the surface plane 11, 25, 37, 51 serves as a drive for the rotation means 16, 29.
  • the driving force for these due to the low Reynolds numbers in the channels 12, 26, 27, 38 , 39, 52 laminar rotational flow is due to a viscous frictional flow of passing over the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 passing away boundary layer 14, 33, 44, 53.
  • a fluid cylinder rotating about the longitudinal axis of the respective channel 12, 26, 27, 38, 39, 52 is formed with an outer circumferential surface 31.
  • 25 37, 51 is between the outer peripheral surface 31 of the rotating rotation means 16, 29 and the fluid 13, 34, 45 flowing along the surface plane 11, 25, 37, 51 , 54 or 53, the velocity gradient compared to the velocity gradient of the boundary layer 14, 33, 44, 53 along a rigid surface 21, 22 significantly reduced.
  • the differential velocity between the fluid 13, 34, 45, 54 flowing along the surface plane 11, 25, 37, 51 and the rotating means 16, 29 is reduced.
  • the boundary layer 14, 33, 44, 53 along the surface plane 11, 25, 37, 51 in the flow direction of the fluid 13, 34, 45, 54 experiences a less braking force.
  • the reduced braking force causes a smaller increase in the thickness of the boundary layer 14, 33, 44, 53 in the flow direction.
  • the boundary layer 14, 33, 44, 53 in the flow direction longer laminar and the flow resistance is further reduced.
  • the rotation means 16, 29 in the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 can be cooled by means of a suitable device and / or a low-viscosity flow medium can be used as rotation means 16, 29 by means of an introduction device into the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 are introduced. As a result, the entire flow resistance is further reduced.

Abstract

The surface (10) is formed by depressions (12) for resulting a stable rotational motion of a rotatable rotation medium (16) in the depressions. The rotational motion has a motion component in a contact area (23) associated in a surface plane (11). The motion component is directed in the direction of flow of a flowing fluid (13). An independent claim is also included for a method for reducing the flow resistance of a surface by placing surface planes and depressions.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fläche sowie die Verwendung einer solchen Fläche zum Anordnen in einem strömenden Fluid mit einer Oberflächenebene, und mit Vertiefungen zum Reduzieren des Strömungswiderstandes. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes einer Fläche mit einer Oberflächenebene bei dem Vertiefungen in die Fläche eingebracht werden.The invention relates to a surface and the use of such a surface for placing in a flowing fluid having a surface plane, and depressions for reducing the flow resistance. Furthermore, the invention relates to a method for reducing a flow resistance of a surface with a surface plane in which recesses are introduced into the surface.

Derartige Gegenstände sind aus der DE 198 40 303 A1 und EP 1 469 198 A1 bekannt. Hiernach werden in die Oberfläche eines Fahrzeuges oder eines Rotorblattes kreissegmentartige Vertiefungen ähnlich zu der Oberfläche eines Golfballes eingeprägt. Mittels dieser Einprägungen werden gezielt Mikroturbulenzen an der Oberfläche und in der hydrodynamischen Grenzschicht des entlang der Oberfläche strömenden Fluids erzeugt. Der Strömungswiderstand ist hierdurch geringer als bei einer Oberfläche ohne derartige Vertiefungen.Such objects are from the DE 198 40 303 A1 and EP 1 469 198 A1 known. Thereafter, in the surface of a vehicle or a rotor blade circular segment-like depressions are impressed similar to the surface of a golf ball. By means of these impressions, microturbulences are selectively generated at the surface and in the hydrodynamic boundary layer of the fluid flowing along the surface. The flow resistance is thereby lower than for a surface without such depressions.

Nachteilig ist jedoch, dass sich an der Oberfläche keine laminare, sondern ausschließlich eine turbulente Grenzschicht ausbildet. Für einen möglichst geringen Strömungswiderstand sollte die Grenzschicht jedoch solange wie möglich in Strömungsrichtung des Fluids turbulenzfrei und laminar sein.The disadvantage, however, is that no laminar, but exclusively a turbulent boundary layer is formed on the surface. However, for the lowest possible flow resistance, the boundary layer should be turbulence-free and laminar as long as possible in the flow direction of the fluid.

Bei einer laminaren Grenzschicht besteht jedoch die Gefahr, dass die Dicke der Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids derart anwächst, dass die Grenzschicht turbulent wird. Hierbei kann die Strömungssituation so instabil werden, dass auch außerhalb der Grenzschicht turbulente Strömungen auftreten. Hierdurch entstehen in einem ausgedehnten Raumbereich an vielen Stellen fortwährend große Geschwindigkeitsgradienten. Es ergeben sich hohe viskose Reibungswerte, die zu einem insgesamt hohen Strömungswiderstand für den Gegenstand führen. Unter dem Einfluss eines dynamischen Auftriebs werden die Gefahren für eine turbulente Strömung und einen hohen Strömungswiderstand noch verstärkt. So erhöhen die für den Auftrieb erforderlichen räumlichen Druckverteilungen der Strömung zusätzlich die Neigung zur Instabilität und der damit verbundenen Turbulenzbildung.In the case of a laminar boundary layer, however, there is a risk that the thickness of the boundary layer in the flow direction of the fluid increases in such a way that the boundary layer becomes turbulent. In this case, the flow situation can become so unstable that turbulent flows also occur outside the boundary layer. As a result, large velocity gradients continuously arise in an extended spatial area in many places. This results in high viscous friction values, which lead to an overall high flow resistance for the object. Under the influence of a dynamic buoyancy, the dangers of turbulent flow and high flow resistance are exacerbated. Thus, the required for the buoyancy spatial pressure distributions of the flow also increase the tendency to instability and the associated turbulence formation.

Somit ist es die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Fläche der Eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids länger laminar ist und ein verringerter Strömungswiderstand realisierbar ist.Thus, it is the object underlying the invention to develop a surface of the type mentioned in such a way that the boundary layer in the flow direction of the fluid is longer laminar and a reduced flow resistance can be realized.

Zur Lösung ist die erfindungsgemäße Fläche dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung eines rotierbaren Rotationsmittels in der Vertiefung ausgebildet ist, und dass die Rotationsbewegung in einem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich eine in Strömungsrichtung des Fluids gerichtete Bewegungskomponente hat. Das Verfahren der Eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer Vertiefung ein rotierbares Rotationsmittel zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung in der Vertiefung zugeordnet wird, und dass das Rotationsmittel in die Rotationsbewegung versetzt wird, wobei das Rotationsmittel in einem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich mindestens teilweise in Strömungsrichtung des Fluids bewegt wird.To solve the surface according to the invention is characterized in that the respective recess for forming a stable rotational movement of a rotatable rotating means is formed in the recess, and that the rotational movement in a surface plane associated contact region has a directed in the flow direction of the fluid movement component. The method of the type mentioned above is characterized in that in each case a rotatable rotatable means for forming a stable rotational movement in the recess is assigned, and that the rotation means is set in the rotational movement, wherein the rotation means in a surface plane associated with the contact area at least partially Flow direction of the fluid is moved.

Hierbei ist von Vorteil, dass der Geschwindigkeitsgradient in dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich zwischen dem Rotationsmittel und dem über die Oberflächenebene strömenden Fluid geringer ist als der Geschwindigkeitsgradient zwischen dem strömenden Fluid und den starren Oberflächenanteilen ohne das sich in Strömungsrichtung bewegende Rotationsmittel. Zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung kann die Vertiefung eine geeignete Aufnahme zum Aufnehmen des rotierbaren Rotationsmittels aufweisen.In this case, it is advantageous that the velocity gradient in the surface plane associated contact area between the rotating means and the fluid flowing over the surface plane is less than the velocity gradient between the flowing fluid and the rigid surface portions without the moving in the direction of rotation rotating means. To form a stable rotational movement, the depression may have a suitable receptacle for receiving the rotatable rotation means.

Der Kontaktbereich ist der Bereich, in dem sich das Rotationsmittel und das über der Vertiefung entlang der Oberflächenebene strömende Fluid berühren. Demnach ist die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem strömenden Fluid und dem Rotationsmittel in dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich kleiner als die Differenzgeschwindigkeit des direkt über die starre Oberfläche strömenden Fluids. In dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich wirkt auf die sich nach der Prandtlschen Grenzschichttheorie ergebenden hydrodynamischen Grenzschicht eine verminderte Kraft im Vergleich zu den starren Oberflächenanteilen. Hierdurch wächst die Dicke der Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids weniger stark an. Damit ist die Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids länger laminar.The contact area is the area in which the rotating means and the fluid flowing over the recess along the surface plane contact each other. Thus, the differential velocity between the flowing fluid and the rotating means in the contact surface associated with the surface plane is less than the differential velocity of the fluid flowing directly across the rigid surface. In the contact region assigned to the surface plane, a reduced force acts on the hydrodynamic boundary layer resulting according to Prandtl's boundary layer theory in comparison with the rigid surface portions. As a result, the thickness of the boundary layer increases less strongly in the flow direction of the fluid. Thus, the boundary layer in the flow direction of the fluid is longer laminar.

In der Summe erfährt die Grenzschicht des Fluids entlang der Oberflächenebene eine weniger bremsende Kraft. Hierdurch ist der Strömungswiderstand reduziert. Zudem bewirkt die vermindert bremsende Kraft eine geringere Zunahme der Dicke der Grenzschicht in Strömungsrichtung des Fluids. Hierdurch wird der Strömungswiderstand weiter reduziert. In Zusammenhang mit einem dynamischen Auftrieb, wie beispielsweise bei Flügelprofilen und/oder Turbinenschaufeln, sind die dynamischen Auftriebswerte verbessert.In sum, the boundary layer of the fluid undergoes a less braking force along the surface plane. As a result, the flow resistance is reduced. In addition, the reduced braking force causes a smaller increase in the thickness of the boundary layer in the flow direction of the fluid. As a result, the flow resistance is further reduced. In conjunction with dynamic buoyancy, such as wing profiles and / or turbine blades, the dynamic buoyancy values are improved.

Vorzugsweise weist die in Strömungsrichtung des Fluids gerichtete Bewegungskomponente der Rotationsbewegung in dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich den größten Betrag von drei die Rotationsbewegung bestimmenden Bewegungskomponenten auf. Bei den drei Bewegungskomponenten handelt es sich um die erste Bewegungskomponente in Strömungsrichtung und parallel zur Oberflächenebene, die zweite Bewegungskomponente parallel zur Oberflächenebene und rechtwinklig zur ersten Bewegungskomponente in Strömungsrichtung, und die dritte Bewegungskomponente rechtwinklig zur Oberflächenebene.The movement component of the rotational movement directed in the flow direction of the fluid preferably has, in the contact region assigned to the surface plane, the greatest amount of three movement components determining the rotational movement. The three components of movement are the first movement component in the flow direction and parallel to the surface plane, the second component of movement parallel to the surface plane and perpendicular to the first component of movement in the flow direction, and the third component of movement perpendicular to the surface plane.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kontaktbereich in einer Ebene mit der Oberflächenebene angeordnet ist. Somit ist das Rotationsmittel ohne über die Oberflächenebene aus der Vertiefung heraus zu treten innerhalb der Vertiefung angeordnet. Das Rotationsmittel ragt nicht über die Oberflächenebene und in das entlang der Oberflächenebene strömende Fluid hinein. Die Gefahr der Entstehung von Turbulenzen in der Grenzschicht wird hierdurch verringert. Die Fläche weist Oberflächenabschnitte mit Vertiefungen und Oberflächenabschnitte ohne Vertiefungen auf. Hierbei kann sich in Strömungsrichtung des Fluids jeweils ein starrer Oberflächenabschnitt ohne Vertiefung mit einem Oberflächenabschnitt mit einer Vertiefung abwechseln. Nach einer Alternative tritt das Rotationsmittel über die Oberflächenebene aus der Vertiefung heraus. Dies erleichtert die Herstellung und Integration des Rotationsmittels in die Vertiefung. Hierbei tritt das Rotationsmittel jedoch nur soweit über die Oberflächenebene in Richtung des entlang der Oberflächenebene strömenden Fluids hinaus, dass hierdurch die laminare Strömung der Grenzschicht möglichst nicht gestört wird.According to a further embodiment of the invention, the contact region is arranged in a plane with the surface plane. Thus, the rotation means is arranged without passing over the surface plane out of the recess inside the recess. The rotating means does not protrude beyond the surface plane and into the fluid flowing along the surface plane. The risk of turbulence in the boundary layer is thereby reduced. The surface has recessed surface portions and non-recessed surface portions. In this case, in each case a rigid surface section without a depression with a surface section with a depression can alternate in the direction of flow of the fluid. As an alternative, the rotation means passes out of the recess above the surface plane. This facilitates the manufacture and integration of the rotating means in the recess. In this case, however, the rotation means only occurs so far over the surface plane in the direction of along the Surface level flowing fluid addition, that as a result, the laminar flow of the boundary layer is not disturbed as possible.

Gemäß einer Weiterbildung sind die Vertiefungen jeweils als ein Kanal ausgebildet. Solche Kanäle sind beispielsweise mittels einer Präparationseinrichtung in die Fläche einbringbar. Vorzugsweise ist die Fläche als eine Folie mit den Vertiefungen ausgebildet, die auf eine Außenfläche aufbringbar ist. Hierdurch wird eine besonders einfache Nachrüstung ermöglicht. Vorzugsweise ist ein Querschnitt des Kanals zum Ausbilden der Rotationsbewegung des Rotationsmittels um eine Längsachse des Kanals, insbesondere mittels eines Antriebes, ausgebildet. Somit rotiert das Rotationsmittel innerhalb des Kanals um eine Längsachse des Kanals, die zugleich die Rotationsachse für das rotierende Rotationsmittel ist. Das Rotationsmittel weist beispielsweise eine Zylinderform oder eine Rohrform auf. Vorzugsweise dient als ein Antrieb für die Rotation des Rotationsmittels das entlang der Oberflächenebene strömende Fluid.According to a development, the depressions are each formed as a channel. Such channels can be introduced into the surface, for example, by means of a preparation device. Preferably, the surface is formed as a film with the recesses, which can be applied to an outer surface. This allows a particularly simple retrofitting. Preferably, a cross-section of the channel for forming the rotational movement of the rotating means is formed about a longitudinal axis of the channel, in particular by means of a drive. Thus, the rotation means within the channel rotates about a longitudinal axis of the channel, which is also the axis of rotation for the rotating rotation means. The rotating means has, for example, a cylindrical shape or a tubular shape. Preferably, the fluid flowing along the surface plane serves as a drive for the rotation of the rotating means.

Die Querschnitte der Vertiefungen können, insbesondere zum Erzeugen einer laminaren Rotationsströmung um die Längsachse der jeweiligen Vertiefung, eine kreissegmentförmige Kontur haben. Hierdurch werden die Anordnung eines Rotationsmittels in den Vertiefungen und/oder die Ausbildung einer Rotationsbewegung vereinfacht. Zudem werden Reibungsverluste zwischen dem Rotationsmittel und einer dem Rotationsmittel zugewandten Innenwand der jeweiligen Vertiefung reduziert.The cross-sections of the recesses may, in particular for generating a laminar rotational flow about the longitudinal axis of the respective recess, have a circular segment-shaped contour. As a result, the arrangement of a rotation means in the recesses and / or the formation of a rotational movement are simplified. In addition, friction losses between the rotation means and the rotation means facing inner wall of the respective recess are reduced.

Die Durchmesser der Vertiefungen können in der Größenordnung der Dicke einer hydrodynamischen Grenzschicht liegen, insbesondere entsprechen die Durchmesser der Dicke der Grenzschicht am Ort der jeweiligen Vertiefung, vorzugsweise liegen die Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 20 mm, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm. Hierdurch wird eine negative Beeinflussung des strömenden Fluids, insbesondere auch außerhalb der Grenzschicht des Fluids, vermieden. Insbesondere werden die Durchmesser der Vertiefungen in Strömungsrichtung des Fluids größer. Hierdurch wird die in Strömungsrichtung des Fluids zunehmende Dicke der Grenzschicht berücksichtigt. Vorzugsweise sind die Durchmesser der Vertiefungen umso kleiner, je schneller die Strömung ist und/oder je niedriger die Viskosität des Fluids ist. Umgekehrt gilt demnach, dass die Durchmesser der Vertiefungen umso größer sind, je langsamer die Strömung ist und/oder je größer die Viskosität des Fluids ist. Das Fluid kann ein Gas und/oder eine Flüssigkeit sein. Bei einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, können die Durchmesser der Vertiefungen in einem Bereich zwischen 1 cm und 2 cm liegen. Ist das Fluid ein Gas, wie beispielsweise Luft, können die Durchmesser der Vertiefungen in einem Bereich zwischen 1 mm und 2 mm liegen.The diameters of the recesses may be of the order of magnitude of the thickness of a hydrodynamic boundary layer, in particular the diameters of the thickness of the boundary layer correspond to the location of the respective recess, preferably the diameters are in the range of 1 mm to 20 mm, particularly preferably in the range of 10 mm 20 mm, and most preferably in a range of 1 mm to 2 mm. This avoids a negative influence on the flowing fluid, in particular also outside the boundary layer of the fluid. In particular, the diameters of the recesses in the flow direction of the fluid become larger. As a result, the increasing in the flow direction of the fluid thickness of the boundary layer is taken into account. Preferably, the smaller the diameter of the recesses, the faster the flow is and / or the lower the viscosity of the fluid. Conversely, it holds true that the diameters of the recesses are greater, the slower the flow is and / or the greater the viscosity of the fluid. The fluid may be a gas and / or a liquid. For a liquid such as water, the diameters of the wells may range between 1 cm and 2 cm. If the fluid is a gas, such as air, the diameters of the recesses may be in a range between 1 mm and 2 mm.

Vorzugsweise sind die Vertiefungen sowohl im Bereich einer laminaren Grenzschicht als auch im Bereich einer turbulenten Grenzschicht des Fluids angeordnet. Die Dicke der laminaren Grenzschicht nimmt in Strömungsrichtung immer mehr zu. Die Zuwachsrate der Dicke der Grenzschicht ist abhängig vom Geschwindigkeitsradienten zwischen einer oberflächennahen Lage der Grenzschicht und der Oberfläche der Fläche. Die laminare Grenzschicht wird ab einer bestimmten Dicke der Grenzschicht instabil und turbulent. Um die Entstehung von turbulenten Strömungen außerhalb der turbulenten Grenzschicht zu vermindern, können erfindungsgemäße Vertiefungen auch im Bereich der turbulenten Grenzschicht in die Fläche eingebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann sich einem Flächenbereich mit erfindungsgemäßen Vertiefungen zum Erreichen einer längeren laminaren Grenzschicht ein Flächenbereich mit aus dem Stand der Technik bekannten Vertiefungen, insbesondere kreissegmentartigen Einprägungen, zur Reduzierung des Strömungswiderstandes in einer turbulenten Grenzschicht anschließen.Preferably, the depressions are arranged both in the region of a laminar boundary layer and in the region of a turbulent boundary layer of the fluid. The thickness of the laminar boundary layer increases in the flow direction more and more. The rate of increase of the thickness of the boundary layer depends on the speed gradient between a near-surface layer of the boundary layer and the surface of the surface. The laminar boundary layer becomes unstable and turbulent from a certain thickness of the boundary layer. In order to reduce the formation of turbulent flows outside the turbulent boundary layer, indentations according to the invention can also be introduced into the surface in the area of the turbulent boundary layer. Alternatively or additionally, a surface region with indentations according to the invention for achieving a longer laminar boundary layer can be followed by a surface region with recesses known from the prior art, in particular indentations in the form of a circle segment, for reducing the flow resistance in a turbulent boundary layer.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist eine Breite eines Vertiefungsspaltes für jeweils eine Vertiefung durch zwei einander zugewandte Flächenkanten, insbesondere in der Oberflächenebene, bestimmt und der Durchmesser der jeweiligen Vertiefung ist größer als die Breite des zugehörigen Vertiefungsspaltes. Hierdurch wird die Anordnung eines Rotationsmittels und/oder die Entstehung einer Rotationsbewegung in der Vertiefung vereinfacht. Zudem lässt sich über eine geeignete Breite des Vertiefungsspaltes auf einfache Weise die Position bzw. Lage des Rotationsmittels, insbesondere in Bezug auf die Oberflächenebene, bestimmen.According to a further embodiment, a width of a recess gap for each one depression is determined by two mutually facing surface edges, in particular in the surface plane, and the diameter of the respective depression is greater than the width of the associated recess gap. As a result, the arrangement of a rotating means and / or the formation of a rotational movement in the depression is simplified. In addition, the position or position of the rotation means, in particular with respect to the surface plane, can be determined in a simple manner via a suitable width of the recess gap.

Vorzugsweise ist eine sich durch die Rotationsbewegung des jeweiligen Rotationsmittels ergebende Rotationsachse parallel zur Oberflächenebene angeordnet, und vorzugsweise ist die Rotationsachse rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet. Hierdurch lässt sich die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Rotationsmittel und dem über dem Rotationsmittel im Bereich der Oberflächenebene strömenden Fluid auf einfache Weise weiter vermindern, wodurch der Strömungswiderstand ebenfalls weiter reduziert wird.Preferably, an axis of rotation resulting from the rotational movement of the respective rotating means is arranged parallel to the surface plane, and preferably the axis of rotation is oriented perpendicular to the direction of flow of the fluid. As a result, the speed difference between the rotation means and the fluid flowing over the rotation means in the area of the surface plane can be further reduced in a simple manner, as a result of which the flow resistance is likewise further reduced.

Nach einer Weiterbildung ergibt sich in den Querschnitten der Vertiefungen ausgehend von einer Längsachse der jeweiligen Vertiefung und zwischen den beiden einander zugewandten und der Oberflächenebene zugeordneten Flächenkanten, ein Öffnungswinkel von weniger als 90°, insbesondere von weniger als 60°, besonders bevorzugt von weniger als 30°, und am meisten bevorzugt zwischen 25° und 30°. Hierdurch wird die Breite des Vertiefungsspaltes bestimmt. Zudem ist mittels des Öffnungswinkels bestimmbar, wie weit das Rotationsmittel aus der Oberflächenebene aus der Vertiefung heraus tritt. Der Öffnungswinkel wird derart gewählt, dass eine Störung der laminaren Grenzschicht möglichst vermieden wird. Vorzugsweise ist der Öffnungswinkel bei größeren Reynoldszahlen kleiner als bei kleineren Reynoldszahlen. Demnach ist der Öffnungswinkel bei kleineren Reynoldszahlen größer als bei größeren Reynoldszahlen. Insbesondere ist die Längsachse der jeweiligen Vertiefung die Rotationsachse des Rotationsmittels.According to a development results in the cross sections of the recesses, starting from a longitudinal axis of the respective recess and between the two facing and the surface plane associated surface edges, an opening angle of less than 90 °, in particular less than 60 °, more preferably less than 30 °, and most preferably between 25 ° and 30 °. As a result, the width of the recess gap is determined. In addition, it can be determined by means of the opening angle how far the rotation means leaves the surface plane out of the recess. The opening angle is chosen such that a disturbance of the laminar boundary layer is avoided as far as possible. Preferably, the opening angle is smaller for larger Reynolds numbers than for smaller Reynolds numbers. Accordingly, the opening angle is greater for smaller Reynolds numbers than for larger Reynolds numbers. In particular, the longitudinal axis of the respective recess is the axis of rotation of the rotating means.

Vorzugsweise dient als Rotationsmittel das Fluid. Hierdurch lässt sich eine Reduzierung des Strömungswiderstandes besonders einfach realisieren. Das in den Vertiefungen sich befindende Fluid wird mittels dem über die Vertiefung entlang der Oberflächenebene strömenden Fluid in eine Rotationsbewegung, insbesondere um eine Längsachse der Vertiefung, versetzt. Das rotierende Fluid bildet einen rotierenden Fluidzylinder. Alternativ zum Fluid als Rotationsmittel dient ein, insbesondere im Vergleich zum Fluid, niederviskoses Strömungsmedium als Rotationsmittel. Hierdurch werden Energieverluste aufgrund von Reibungsverlusten zwischen dem Rotationsmittel und der Innenwand der Vertiefung reduziert. Dadurch ist in dem der Oberflächenebene zugeordneten Kontaktbereich eine geringere Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Rotationsmittel und dem darüber strömenden Fluid realisierbar. Somit wird der Strömungswiderstand der Fläche weiter reduziert. Das niederviskose Strömungsmedium kann mittels einer Einleiteinrichtung, insbesondere kontinuierlich, in die Vertiefungen eingeleitet werden. Als niederviskoses Strömungsmedium kann im Falle von Luft als Fluid beispielsweise Helium eingesetzt werden.The fluid is preferably used as the rotation means. This makes it particularly easy to realize a reduction of the flow resistance. The fluid located in the depressions is set into a rotational movement, in particular about a longitudinal axis of the depression, by means of the fluid flowing over the depression along the surface plane. The rotating fluid forms a rotating fluid cylinder. As an alternative to the fluid as a rotation means, a low-viscosity flow medium, in particular in comparison to the fluid, serves as a rotation means. This reduces energy losses due to friction losses between the rotating means and the inner wall of the recess. As a result, a lower differential speed between the rotating means and the fluid flowing over it can be realized in the contact region assigned to the surface plane. Thus, the flow resistance of the surface is further reduced. The low-viscosity flow medium can be introduced into the recesses by means of an introduction device, in particular continuously. In the case of air, for example, helium can be used as the low-viscosity flow medium.

Des Weiteren kann eine Einrichtung zum Kühlen und/oder Erwärmen der Vertiefungen vorgesehen sein. Hierdurch ist die Reibung zwischen dem Rotationsmittel und der Innenwand einer Vertiefung weiter reduzierbar. Die Reibung und die damit einhergehenden Energieverluste sind beispielsweise von der Viskosität eines fluiden Rotationsmittels abhängig. Die Viskosität ist wiederum von der Temperatur abhängig. Somit wird die Reibung zwischen dem Rotationsmittel und der Innenwand einer Vertiefung mittels Kühlen mit der Einrichtung reduziert. Die Differenzgeschwindigkeit im Kontaktbereich zwischen dem Rotationsmittel und dem darüber strömenden Fluid wird weiter reduziert, was zu einem weiter verminderten Strömungswiderstand für die Fläche führt.Furthermore, a device for cooling and / or heating the depressions may be provided. As a result, the friction between the rotation means and the inner wall of a recess can be further reduced. The friction and the associated energy losses are dependent, for example, on the viscosity of a fluid rotating means. The viscosity is again dependent on the temperature. Thus, the friction between the rotating means and the inner wall of a recess is reduced by means of cooling with the device. The differential velocity in the contact area between the rotating means and the fluid flowing over it is further reduced, which leads to a further reduced flow resistance for the surface.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform weist jeweils eine Innenwand der Vertiefungen mindestens eine weitere Vertiefung auf. Mittels einer solchen weiteren Vertiefung sind die Reibungsverluste zwischen dem Rotationsmittel und der Innwand der jeweiligen Vertiefung reduzierbar. Hierdurch sinkt im Kontaktbereich die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Rotationsmittel und dem darüber entlang der Oberflächenebene strömenden Fluid, wodurch der Strömungswiderstand der Fläche weiter reduziert wird. Mindestens zwei Vertiefungen können mittels mindestens einer weiteren Vertiefung miteinander verbunden sein. Hierdurch sind die Reibungsverluste noch weiter reduzierbar. Vorzugsweise ist die weitere Vertiefung entsprechend der vorangegangenen Beschreibung für die Vertiefungen in der Fläche ausgebildet.According to a further embodiment, in each case an inner wall of the recesses has at least one further recess. By means of such a further depression, the friction losses between the rotation means and the inner wall of the respective recess can be reduced. As a result, the differential speed between the rotation means and the fluid flowing along the surface plane decreases in the contact region, whereby the flow resistance of the surface is further reduced. At least two recesses may be connected to each other by means of at least one further recess. As a result, the friction losses are even further reduced. Preferably, the further recess is formed according to the preceding description for the recesses in the surface.

Nach einer Weiterbildung sind die Vertiefungen und/oder die weiteren Vertiefungen in einer selbstähnlichen Anordnung, insbesondere in einer fraktalen Anordnung, angeordnet und unter einander verbunden. Auch hierdurch werden die Reibungsverluste innerhalb der Vertiefungen reduziert, was zu einer verminderten Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Rotationsmittel und dem darüber strömenden Fluid und somit zu einem reduzierten Strömungswiderstand der Fläche führt. Die selbstähnlichen oder fraktalen Anordnungen können mittels Nanotechnologie in die Fläche und/oder in die Innwände der Vertiefungen eingebracht werden.According to a development, the depressions and / or the further depressions are arranged in a self-similar arrangement, in particular in a fractal arrangement, and connected to one another. This also reduces the friction losses within the recesses, which leads to a reduced differential speed between the rotation means and the fluid flowing over it and thus to a reduced flow resistance of the surface. The self-similar or fractal arrangements can be introduced by nanotechnology into the surface and / or into the inner walls of the depressions.

Vorteilhafterweise wird die efindungsgemäße Fläche als eine Verkleidungsfläche für ein Fortbewegungsmittel und/oder als eine Beschichtung für eine Vorrichtung, insbesondere im Bereich der Medizintechnik, des Fluggerätebaus, des Windenergieanlagenbaus und/oder des Triebwerkbaus verwendet. Hierbei wird eine Energieeinsparung durch die Minimierung von Strömungsverlusten, beispielsweise bei Flugzeugen, Schiffen und/oder Kraftfahrzeugen, ermöglicht. Die Energieeinsparung und damit eine Effizienzsteigerung wird durch die Reduktion des Strömungswiderstandes bei der Bewegung durch ein Fluid, wie beispielsweise Wasser und/oder Luft, erreicht. Zudem kann eine Energieeinsparung durch eine optimierte Strömung in Triebwerken, wie beispielsweise Turbinen und/oder Kolbenmotoren, erreicht werden. In der Medizintechnik, insbesondere bei einer Verwendung in künstlichen Herzen und/oder künstlichen Gefäßen, werden turbulente Anteile in einer Blutströmung vermindert. Hierdurch wird die Gefahr einer Beschädigung von Blutplättchen reduziert, wodurch die damit verbundene Gerinnungsneigung vermindert wird.Advantageously, the surface according to the invention is used as a cladding surface for a means of locomotion and / or as a coating for a device, in particular in the field of medical technology, aircraft construction, wind energy plant construction and / or engine construction. In this case, an energy saving by minimizing flow losses, for example in aircraft, ships and / or motor vehicles, allows. The energy saving and thus an increase in efficiency is achieved by reducing the flow resistance during movement through a fluid, such as water and / or air. In addition, energy savings can be achieved through optimized flow in engines, such as turbines and / or piston engines. In medical technology, especially when used in artificial hearts and / or artificial vessels, turbulent portions in a bloodstream are reduced. This reduces the risk of damage to platelets, thereby reducing the associated coagulation tendency.

Nachfolgend wird die Efindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1
einen Ausschnitt aus einer ersten Fläche mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,
Fig. 2
einen Ausschnitt aus einer zweiten Fläche mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,
Fig. 3
einen Ausschnitt aus einer dritten Fläche mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,
Fig. 4
einen Ausschnitt aus einer weiteren Fläche mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,
Fig. 5
ein Flussdiagramm für ein Verfahren mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Ansicht, und
Fig. 6
einen Ausschnitt aus einem Flügelprofil mit einer laminaren Grenzschicht nach dem Stand der Technik in einer schematischen Seitenansicht.
The Efindung will be explained with reference to the figures. Show it:
Fig. 1
a section of a first surface with the features of the invention in a schematic side view,
Fig. 2
a section of a second surface with the features of the invention in a schematic side view,
Fig. 3
a section of a third surface with the features of the invention in a schematic side view,
Fig. 4
a section of a further surface with the features of the invention in a schematic side view,
Fig. 5
a flowchart for a method with the features of the invention in a schematic view, and
Fig. 6
a section of a wing profile with a laminar boundary layer according to the prior art in a schematic side view.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer ersten Fläche 10 mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht. Die Fläche 10 hat eine Oberflächenebene 11, in die eine Vertiefung 12 eingebracht ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 12 als ein Kanal 12 mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Die Fläche 10 wird von einem Fluid 13 angeströmt. Das Fluid 13 weist eine laminare hydrodynamische Grenzschicht 14 auf, die hier schematisch als aus drei übereinander liegenden Lagen dargestellt ist. Die Strömungsrichtung des Fluids 13 bzw. der Grenzschicht 14 ist durch den Pfeil 15 angegeben. Fig. 1 shows a section of a first surface 10 with the features of the invention in a schematic side view. The surface 10 has a surface plane 11, in which a recess 12 is introduced. In the embodiment shown here, the recess 12 is formed as a channel 12 having a rectangular cross-section. The surface 10 is flowed by a fluid 13. The fluid 13 has a laminar hydrodynamic boundary layer 14, which is shown here schematically as three superimposed layers. The flow direction of the fluid 13 or the boundary layer 14 is indicated by the arrow 15.

In der Vertiefung 12 ist ein Rotationsmittel 16 angeordnet. Die Richtung der Rotationsbewegung des Rotationsmittels 16 ist durch die Pfeile 17, 18 angegeben. Das Rotationsmittel 16 ist innerhalb der Vertiefung 12 und zwischen zwei einander zugewandten Flächenkanten 19, 20 der Vertiefung 12 positioniert. Die Flächenkanten 19, 20 befinden sich in der Oberflächenebene 11. Weiter weist die Fläche 10 starre Oberflächenanteile 21, 22 auf.In the recess 12, a rotation means 16 is arranged. The direction of the rotational movement of the rotating means 16 is indicated by the arrows 17, 18. The rotation means 16 is positioned within the recess 12 and between two mutually facing surface edges 19, 20 of the recess 12. The surface edges 19, 20 are located in the surface plane 11. Further, the surface 10 has rigid surface portions 21, 22.

Im Kontaktbereich 23 berühren sich das Rotationsmittel 16 und das entlang der Oberflächenebene 11 strömende Fluid 13. Durch den Pfeil 17 für die Rotationsbewegung des Rotationsmittels 16 und den Pfeil 15 für das strömende Fluid 13 bzw. die laminar strömende Grenzschicht 14 wird deutlich, dass die Rotationsbewegung in dem der Oberflächenebene 11 zugeordneten Kontaktbereich 23 eine Bewegungskomponente in Strömungsrichtung des Fluids 13 hat.In the contact region 23, the rotational means 16 and the fluid 13 flowing along the surface plane 11 touch each other. The arrow 17 for the rotational movement of the rotating means 16 and the arrow 15 for the flowing fluid 13 or the laminar flowing boundary layer 14 make it clear that the rotational movement in which the surface area 11 associated contact region 23 has a component of movement in the flow direction of the fluid 13.

In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel tritt das Rotationsmittel 16 im Kontaktbereich 23 nicht über die Oberflächenebene 11 aus der Vertiefung 12 heraus. In einer alternativ denkbaren Ausführungsform kann das Rotationsmittel 16 in dem der Oberflächenebene 11 zugeordneten Kontaktbereich 23 über die Oberflächenebene 11 aus der Vertiefung 12 heraus treten.In the exemplary embodiment shown here, the rotation means 16 does not emerge from the recess 12 beyond the surface plane 11 in the contact region 23. In an alternative conceivable embodiment, the rotation means 16 in the contact surface 23 associated with the surface plane 11 can emerge from the recess 12 via the surface plane 11.

Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus einer zweiten Fläche 24 mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht zu entnehmen. Die Fläche 24 weist eine Oberflächenebene 25 mit Vertiefungen 26, 27, 28 auf. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 26, 27, 28 als Kanäle 26, 27, 28 mit jeweils einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet. In den Kanälen 26, 27, 28 ist jeweils ein Rotationsmittel 29 angeordnet, wobei hier zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit nur ein Rotationsmittel 29 mit Bezugszeichen versehen ist. Fig. 2 is a section of a second surface 24 can be seen with the features of the invention in a schematic side view. The surface 24 has a surface plane 25 with recesses 26, 27, 28. In the embodiment shown here, the recesses 26, 27, 28 as channels 26, 27, 28 each formed with a circular segment-shaped cross-section. In the channels 26, 27, 28 each have a rotation means 29 is arranged, in which case only a rotation means 29 is provided with reference numerals for clarity.

Die Rotationsmittel 29 rotieren gemäß Pfeil 30 jeweils um eine Längsachse der Kanäle 26, 27, 28. Die Rotationsmittel 29 haben einen zylinderartigen Querschnitt mit einer Außenumfangsfläche 31 ist. Die Außenumfangsfläche 31 berührt in einem Kontaktbereich 32 eine laminare Grenzschicht 33 eines entlang der Oberfläche 25 strömenden Fluids 34. Hierbei ist die Grenzschicht 33 schematisch durch drei über einander angeordnete Lagen dargestellt. Die Strömungsrichtung des Fluids 34 bzw. der Grenzschicht 33 ist durch den Pfeil 35 angegeben.The rotation means 29 rotate according to arrow 30 in each case about a longitudinal axis of the channels 26, 27, 28. The rotation means 29 have a cylinder-like cross section with an outer circumferential surface 31. The outer circumferential surface 31 contacts, in a contact region 32, a laminar boundary layer 33 of a fluid 34 flowing along the surface 25. In this case, the boundary layer 33 is represented schematically by three layers arranged one above the other. The flow direction of the fluid 34 or the boundary layer 33 is indicated by the arrow 35.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer dritten Fläche 36 mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht. Die Fläche 36 hat eine Oberflächenebene 37 mit Vertiefungen 38, 39, die hier als Kanäle 38, 39 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet sind. Innerhalb der Kanäle 38, 39 ist ein hier nicht näher dargestelltes Rotationsmittel angeordnet, dass gemäß der Pfeile 40, 41 um eine Längsachse der Kanäle 38, 39 rotiert. In einem Kontaktbereich 42, 43 berührt das Rotationsmittel eine laminare Grenzschicht 44 eines Fluids 45, das gemäß Pfeil 46 entlang der Oberfläche 37 strömt. Die Grenzschicht 44 ist schematisch durch drei über einander angeordnete Lagen dargestellt. Fig. 3 shows a section of a third surface 36 with the features of the invention in a schematic side view. The surface 36 has a surface plane 37 with recesses 38, 39, which are formed here as channels 38, 39 with a circular segment-shaped cross-section. Within the channels 38, 39, a rotation means (not shown here) is arranged, which according to the arrows 40, 41 rotates about a longitudinal axis of the channels 38, 39. In a contact region 42, 43, the rotating means contacts a laminar boundary layer 44 of a fluid 45, which flows along the surface 37 in accordance with arrow 46. The boundary layer 44 is shown schematically by three layers arranged one above the other.

Zwischen den Kanälen 38, 39 sind weitere Vertiefungen 47 angeordnet. Die weiteren Vertiefungen 47 sind ebenfalls als Kanäle 47 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet, wobei der Durchmesser der weiteren Kanäle 47 kleiner ist als der Durchmesser der Kanäle 38, 39. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit sind die Querschnitte der weiteren Kanäle 47 als vollständige Kreisringe ohne die offenen Bereiche dargestellt. Die weiteren Kanäle 47 sind teilweise in die Oberflächenebene 37 der Fläche 36 und teilweise in eine Innenwand 48, 49 der Kanäle 38, 39 eingebracht. Mittels der weiteren Kanäle 47 sind die Kanäle 38, 39 mit einander verbunden. Hierbei weisen die weiteren Kanäle 47 eine fraktalähnliche Anordnung auf. Innerhalb der weiteren Kanäle 47 rotieren hier nicht näher dargestellte Rotationsmittel. Zur Fixierung der weiteren Kanäle 47 sind in der Oberflächenebene 37 der Fläche 36 und/oder zwischen einzelnen Kanälen 38, 39, 47 hier nicht näher dargestellte Verstrebungsstrukturen vorhanden.Between the channels 38, 39 further recesses 47 are arranged. The further recesses 47 are also formed as channels 47 with a circular segment-shaped cross section, wherein the diameter of the further channels 47 is smaller than the diameter of the channels 38, 39. For the sake of clarity, the cross sections of the further channels 47 are as complete circular rings without the open Areas shown. The further channels 47 are partially introduced into the surface plane 37 of the surface 36 and partly into an inner wall 48, 49 of the channels 38, 39. By means of the further channels 47, the channels 38, 39 are connected to each other. In this case, the further channels 47 have a fractal-like arrangement. Within the other channels 47 rotate here not shown rotation means. In order to fix the further channels 47, there are in the surface plane 37 of the surface 36 and / or between individual channels 38, 39, 47 not shown strut structures.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Fläche 50 mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht, die eine Oberflächenebene 51 mit einer Vertiefung 52 aufweist. Auch hier ist die Vertiefung 52 als ein Kanal 52 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet, in dem ein hier nicht näher dargestelltes Rotationsmittel rotiert. Auf der Oberflächenebene 51 strömt eine laminare Grenzschicht 53 eines Fluids 54 in Richtung des Pfeils 55. Die Grenzschicht 53 ist hier ebenfalls schematisch durch drei über einander angeordnete Lagen dargestellt. Fig. 4 shows a section of a further surface 50 with the features of the invention in a schematic side view, which has a surface plane 51 with a recess 52. Again, the recess 52 is formed as a channel 52 having a circular segment-shaped cross-section, in which a rotating means not shown here rotates. On the surface plane 51, a laminar boundary layer 53 of a fluid 54 flows in the direction of the arrow 55. The boundary layer 53 is also shown schematically here by three layers arranged one above the other.

Einer Innenwand 56 des Kanals 52 sind weitere Vertiefungen 57 zugeordnet, wobei zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit nur eine der weiteren Vertiefungen 57 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die weiteren Vertiefungen 57 sind nach einem fraktalen Anordnungsschema mit einer hohen Selbstähnlichkeit angeordnet. Die weiteren Vertiefungen 57 sind ebenfalls als Kanäle 57 mit einem kreissegementförmigen Querschnitt ausgebildet, in denen ein nicht näher dargestelltes Rotationsmittel gemäß der jeweiligen Pfeile rotiert.An inner wall 56 of the channel 52 is associated with further recesses 57, wherein only one of the further recesses 57 is provided with a reference numeral for the sake of clarity. The further recesses 57 are arranged according to a fractal arrangement scheme with a high self-similarity. The further recesses 57 are also formed as channels 57 with a kreissegementförmigen cross section in which rotates a not-shown rotating means according to the respective arrows.

Fig. 5 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren mit den Merkmalen der Erfindung in einer schematischen Ansicht zu entnehmen. Nach einem Start des Verfahren zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes einer Fläche 10, 24, 36, 50 in einem Fluid 13, 34, 45, 54 gemäß Schritt S10, werden Vertiefungen 12, 26, 27, 28, 38, 39, 52 gemäß Schritt S11 in die Fläche 10, 24, 36, 50 eingebracht. Hiernach wird gemäß Schritt S12 den Vertiefungen 12, 26, 27, 28, 38, 39, 52 ein Rotationsmittel 16, 29 zugeordnet. Sodann wird das Rotationsmittel 16, 29 entsprechend Schritt S13 derart in Bewegung versetzt, dass das Rotationsmittel 16, 19 in einem der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 zugeordneten Kontaktbereich 23, 32, 42, 43 mindestens teilweise in Strömungsrichtung des Fluids 13, 34, 45, 54 bewegt wird. Schließlich wird das Verfahren gemäß Schritt S14 beendet. Fig. 5 is a flowchart for a method with the features of the invention in a schematic view. After starting the method for reducing a flow resistance of a surface 10, 24, 36, 50 in a fluid 13, 34, 45, 54 according to step S10, recesses 12, 26, 27, 28, 38, 39, 52 according to step S11 introduced into the surface 10, 24, 36, 50. After that, according to step S12, the recesses 12, 26, 27, 28, 38, 39, 52 are assigned a rotation means 16, 29. Then the rotation means 16, 29 are set in motion in accordance with step S13 in such a way that the rotation means 16, 19 in a surface plane 11, 25, 37, 51 associated contact region 23, 32, 42, 43 at least partially in the flow direction of the fluid 13, 34th , 45, 54 is moved. Finally, the process in step S14 is ended.

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem Flügelprofil 58 mit einer laminaren Grenzschicht 61 nach dem Stand der Technik in einer schematischen Seitenansicht. Das Flügelprofil 58 hat eine Oberfläche 59 und eine Vorderkante 60. Die Vorderkante 60 wird von einem Fluid 62 gemäß Pfeil 63 angeströmt. Hierbei bildet sich die laminare Grenzschicht 61, deren Dicke in Richtung der Strömung des Fluids 62 gemäß Pfeil 63 immer mehr zunimmt. Die Zunahme der Dicke der Grenzschicht 61 ist hier schematisch mittels einer in Strömungsrichtung des Fluids 62 zunehmenden Anzahl von Lagen dargestellt. Weiter ist ein schematisches Geschwindigkeitsprofil 68 für die maximal vier übereinander angeordneten Lagen der Grenzschicht 61 gezeigt, wobei die Länge einer Linie des Geschwindigkeitsprofils 68 einen Betrag der Geschwindigkeit repräsentiert. Demnach ist die Geschwindigkeit in einer Grenzschicht 61 mit vier Lagen in der untersten Lage am geringsten und nimmt mit zunehmendem Abstand zur Oberfläche 59 immer weiter zu, bis die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Fluids 62 außerhalb der Grenzschicht 61 erreicht ist. Fig. 6 shows a section of a wing profile 58 with a laminar boundary layer 61 according to the prior art in a schematic side view. The wing profile 58 has a surface 59 and a front edge 60. The front edge 60 is flowed by a fluid 62 according to arrow 63. In this case, the laminar boundary layer 61, the thickness of which increases in the direction of the flow of the fluid 62 according to the arrow 63, increases more and more. The increase in the thickness of the boundary layer 61 is shown schematically here by means of an increasing number of layers in the flow direction of the fluid 62. Further shown is a schematic velocity profile 68 for the maximum four superimposed layers of the boundary layer 61, wherein the length of a line of the velocity profile 68 represents an amount of velocity. Thus, the velocity is lowest in a four-ply boundary layer 61 in the lowermost layer and continues to increase as the distance to the surface 59 increases until the flow velocity of the flowing fluid 62 outside the boundary layer 61 is reached.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert:Hereinafter, the operation of the invention with reference to the FIGS. 1 to 6 explained in more detail:

Trifft eine laminare Grenzschicht 14, 33, 44, 53, 61 auf eine Fläche 10, 24, 36, 50, 59 so wird die Dicke der Grenzschicht 14, 33, 44, 53, 61 in Strömungsrichtung des Fluids 13, 34, 45, 54, 62 anwachsen. Zugunsten einer besseren Anschauung wird beispielhaft für die Grenzschichten 14, 33, 44, 53 die Grenzsicht 61 mit den übereinander liegenden Lagen betrachtet.If a laminar boundary layer 14, 33, 44, 53, 61 strikes a surface 10, 24, 36, 50, 59, the thickness of the boundary layer 14, 33, 44, 53, 61 in the flow direction of the fluid 13, 34, 45, 54, 62 grow. In favor of a better view is exemplary for the boundary layers 14, 33, 44, 53, the boundary view 61 with the superimposed layers considered.

Beim erstmaligen Vorbeiströmen des Fluids 62 beispielsweise an der Vorderkante 60 des Flügelprofils 58 besteht nur zwischen der ersten untersten Lage und der Oberfläche 59 eine Differenzgeschwindigkeit. Somit erfährt zunächst nur die erste Lage eine negative Beschleunigung. Die Grenzschicht 61 ist zunächst noch sehr dünn und der Geschwindigkeitsgradient ist sehr hoch. Weiter stromabwärts wächst mit der fortdauernden Verringerung der Geschwindigkeit der ersten Lage auch die Differenzgeschwindigkeit zwischen der ersten Lage und einer zweiten Lage, die über der ersten Lage und von der Oberfläche 59 abgewandt angeordnet ist. Dies führt zu einer negativen Beschleunigung der zweiten Lage und einem Anwachsen der Dicke der Grenzschicht 61. Der Geschwindigkeitsgradient zwischen der ersten Lage und der Oberfläche 59 nimmt in Strömungsrichtung des Fluids 62 ab. Dies setzt sich in entsprechender Weise auch für weitere über der zweiten Lage angeordnete Lagen fort, wodurch die Dicke der Grenzschicht 61 immer weiter anwächst.The first time the fluid 62 flows past the front edge 60 of the wing profile 58, for example, a differential speed exists only between the first lowest layer and the surface 59. Thus, initially only the first layer experiences a negative acceleration. The boundary layer 61 is initially very thin and the velocity gradient is very high. Further downstream, as the first layer velocity continues to decrease, so does the differential velocity between the first layer and a second layer disposed above the first layer and away from the surface 59. This leads to a negative acceleration of the second layer and an increase in the thickness of the boundary layer 61. The velocity gradient between the first layer and the surface 59 decreases in the flow direction of the fluid 62. This continues in a corresponding manner also for further layers arranged above the second layer, as a result of which the thickness of the boundary layer 61 continues to increase.

Zwar wird die Differenzgeschwindigkeit zwischen der ersten Lage und der Oberfläche 59 stromabwärts immer geringer. Jedoch wird die zunächst laminare Grenzschicht 61 ab einer bestimmten Dicke instabil und turbulent. Hierbei treten auch außerhalb der Grenzschicht 61 turbulente Strömungen auf. Diese führen zu hohen viskosen Reibungswerten und damit zu einem hohen Strömungswiderstand für das Flügelprofil 58.Although the differential speed between the first layer and the surface 59 downstream is always lower. However, the initially laminar boundary layer 61 becomes unstable and turbulent from a certain thickness. In this case, outside the boundary layer 61 turbulent flows occur. These lead to high viscous friction values and thus to a high flow resistance for the airfoil 58.

Soll nun der Strömungswiderstand reduziert werden, werden in die Fläche 10, 24, 36, 50 Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt mittels einer Präparationseinrichtung eingebracht. Hierbei werden die Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 derart in die Fläche 10, 24, 36, 50 eingebracht, dass die Längsachsen der Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 parallel zur Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 und rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids 13, 34, 45, 54 angeordnet sind. Alternativ kann auf die Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 der Fläche 10, 24, 36, 50 auch eine Folie mit den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 aufgebracht werden.If the flow resistance is now to be reduced, channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 having a circular segment-shaped cross section are introduced into the surface 10, 24, 36, 50 by means of a preparation device. Here, the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 are introduced into the surface 10, 24, 36, 50 such that the longitudinal axes of the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 parallel to the surface plane 11, 25 , 37, 51 and at right angles to the flow direction of the fluid 13, 34, 45, 54 are arranged. Alternatively, on the surface plane 11, 25, 37, 51 of the surface 10, 24, 36, 50, a film with the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 are applied.

Der Durchmesser der Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 entspricht der Größenordnung der erwarteten Dicke der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 am Ort des jeweiligen Kanals 12, 26, 27, 38, 39, 52. Hierdurch wird in Übereinstimmung mit der Prandtlschen Grenzschichttheorie eine negative Beeinflussung der gesamten Strömung, insbesondere auch der Strömung außerhalb der Grenzschicht 14, 33, 44, 53, vermieden.The diameter of the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 corresponds to the order of the expected thickness of the boundary layer 14, 33, 44, 53 at the location of the respective channel 12, 26, 27, 38, 39, 52 In accordance with the Prandtl boundary layer theory a negative influence on the entire flow, in particular the flow outside the boundary layer 14, 33, 44, 53 avoided.

Strömt nun das Fluid 13, 34, 45, 54 und dessen Grenzschicht 14, 33, 44, 53 über die Fläche 10, 24, 36, 50 wird das Fluid 13, 34, 45, 54 in den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 als ein Rotationsmittel 16, 29 verwendet und in eine Rotationsbewegung versetzt. Demnach dient das entlang der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 strömende Fluid 13, 34, 45, 54 als ein Antrieb für das Rotationsmittel 16, 29. Die Antriebskraft für diese aufgrund der niedrigen Reynoldszahlen in den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 laminaren Rotationsströmung ergibt sich aufgrund eines viskosen Reibungsflusses der über die Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 hinweg strömenden Grenzschicht 14, 33, 44, 53. In den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 entsteht ein um die Längsachse des jeweiligen Kanals 12, 26, 27, 38, 39, 52 rotierender Fluidzylinder mit einer Außenumfangsfläche 31.If the fluid 13, 34, 45, 54 and its boundary layer 14, 33, 44, 53 flows over the surface 10, 24, 36, 50, the fluid 13, 34, 45, 54 in the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 used as a rotation means 16, 29 and set in a rotational movement. Accordingly, the fluid 13, 34, 45, 54 flowing along the surface plane 11, 25, 37, 51 serves as a drive for the rotation means 16, 29. The driving force for these due to the low Reynolds numbers in the channels 12, 26, 27, 38 , 39, 52 laminar rotational flow is due to a viscous frictional flow of passing over the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 passing away boundary layer 14, 33, 44, 53. In the channels 12, 26, 27, 38, 39 52, a fluid cylinder rotating about the longitudinal axis of the respective channel 12, 26, 27, 38, 39, 52 is formed with an outer circumferential surface 31.

In dem der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 zugeordneten Kontaktbereich 23, 32, 42, 43 ist zwischen der Außenumfangsfläche 31 des rotierenden Rotationsmittels 16, 29 und dem entlang der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 strömenden Fluid 13, 34, 45, 54 bzw. der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 der Geschwindigkeitsgradient verglichen mit dem Geschwindigkeitsgradienten der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 entlang einer starren Oberfläche 21, 22 deutlich vermindert. Demnach ist die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem entlang der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 strömenden Fluid 13, 34, 45, 54 und dem Rotationsmittel 16, 29 vermindert. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen dem Geschwindigkeitsgradienten in der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 und der viskosen Reibungskraft, wirkt im Kontaktbereich 23, 32, 42, 43 eine auf die Grenzschicht 14, 33, 44, 53 verminderte Kraft als im Bereich von starren Oberflächenanteilen 21, 22 ohne die Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52.In the contact surface 23, 32, 42, 43 associated with the surface plane 11, 25, 37, 51 is between the outer peripheral surface 31 of the rotating rotation means 16, 29 and the fluid 13, 34, 45 flowing along the surface plane 11, 25, 37, 51 , 54 or 53, the velocity gradient compared to the velocity gradient of the boundary layer 14, 33, 44, 53 along a rigid surface 21, 22 significantly reduced. Thus, the differential velocity between the fluid 13, 34, 45, 54 flowing along the surface plane 11, 25, 37, 51 and the rotating means 16, 29 is reduced. Due to the relationship between the velocity gradient in the boundary layer 14, 33, 44, 53 and the viscous frictional force, a reduced force on the boundary layer 14, 33, 44, 53 in the contact region 23, 32, 42, 43 acts as in the region of rigid surface portions 21, 22 without the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52.

Somit erfährt die Grenzschicht 14, 33, 44, 53 entlang der Oberflächenebene 11, 25, 37, 51 in Strömungsrichtung des Fluids 13, 34, 45, 54 eine weniger bremsende Kraft. Dies führt zu einer Reduktion des gesamten Strömungswiderstandes für die Fläche 10, 24, 36, 50. Zudem bewirkt die verminderte Bremskraft eine geringere Zunahme der Dicke der Grenzschicht 14, 33, 44, 53 in Strömungsrichtung. Hierdurch ist die Grenzschicht 14, 33, 44, 53 in Strömungsrichtung länger laminar und der Strömungswiderstand wird weiter reduziert.Thus, the boundary layer 14, 33, 44, 53 along the surface plane 11, 25, 37, 51 in the flow direction of the fluid 13, 34, 45, 54 experiences a less braking force. This leads to a reduction of the total flow resistance for the surface 10, 24, 36, 50. In addition, the reduced braking force causes a smaller increase in the thickness of the boundary layer 14, 33, 44, 53 in the flow direction. As a result, the boundary layer 14, 33, 44, 53 in the flow direction longer laminar and the flow resistance is further reduced.

Zwischen der Innenwand der Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 und dem Rotationsmittel 16, 29 findet aufgrund viskoser Reibung ebenfalls ein Energieverlust statt. Dieser Energieverlust lässt sich durch die weiteren Vertiefungen 47, 57 in der Innenwand 48, 49, 56 der Kanäle 38, 39, 52 reduzieren. Hierdurch wird der gesamte Strömungswiderstand der Fläche 10, 24, 36, 50 weiter vermindert. Alternativ oder zusätzlich kann das Rotationsmittel 16, 29 in den Kanälen 12, 26, 27, 38, 39, 52 mittels einer geeigneten Einrichtung gekühlt werden und/oder es kann ein niederviskoses Strömungsmedium als Rotationsmittel 16, 29 mittels einer Einleiteinrichtung in die Kanäle 12, 26, 27, 38, 39, 52 eingebracht werden. Hierdurch wird der gesamte Strömungswiderstand weiter reduziert.Between the inner wall of the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 and the rotating means 16, 29 takes place due to viscous friction also a loss of energy. This energy loss can be reduced by the further recesses 47, 57 in the inner wall 48, 49, 56 of the channels 38, 39, 52. As a result, the entire flow resistance of the surface 10, 24, 36, 50 is further reduced. Alternatively or additionally, the rotation means 16, 29 in the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 can be cooled by means of a suitable device and / or a low-viscosity flow medium can be used as rotation means 16, 29 by means of an introduction device into the channels 12, 26, 27, 38, 39, 52 are introduced. As a result, the entire flow resistance is further reduced.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Fläche 10, 24, 36, 50 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der Schritte S10 bis S14 ergibt sich ein reduzierter Strömungswiderstand, wodurch die Energieverluste bei einer von einem Fluid 13, 34, 45, 54 angeströmten Fläche 10, 24, 36, 50 vermindert werden.On account of the surface 10, 24, 36, 50 according to the invention or the method according to the invention according to the steps S10 to S14, a reduced flow resistance results, whereby the energy losses in a surface 10, 24, 36 flown by a fluid 13, 34, 45, 54 , 50 are reduced.

Bezugszeichenliste : List of reference numbers :

1010
Flächearea
1111
Oberflächenebenesurface plane
1212
Vertiefungdeepening
1313
Fluidfluid
1414
Grenzschichtinterface
1515
Pfeilarrow
1616
Rotationsmittelrotation means
1717
Pfeilarrow
1818
Pfeilarrow
1919
Flächenkantesurface edge
2020
Flächenkantesurface edge
2121
Starrer OberflächenanteilRigid surface area
2222
Starrer OberflächenanteilRigid surface area
2323
Kontaktbereichcontact area
2424
Gegenstandobject
2525
Oberflächesurface
2626
Vertiefungdeepening
2727
Vertiefungdeepening
2828
Vertiefungdeepening
2929
Rotationsmittelrotation means
3030
Pfeilarrow
3131
AußenumfangsflächeOuter circumferential surface
3232
Kontaktbereichcontact area
3333
Grenzschichtinterface
3434
Fluidfluid
3535
Pfeilarrow
3636
Flächearea
3737
Oberflächenebenesurface plane
3838
Vertiefungdeepening
3939
Vertiefungdeepening
4040
Pfeilarrow
4141
Pfeilarrow
4242
Kontaktbereichcontact area
4343
Kontaktbereichcontact area
4444
Grenzschichtinterface
4545
Fluidfluid
4646
Pfeilarrow
4747
Weitere VertiefungenFurther depressions
4848
Innenwandinner wall
4949
Innenwandinner wall
5050
Flächearea
5151
Oberflächenebenesurface plane
5252
Vertiefungdeepening
5353
Grenzschichtinterface
5454
Fluidfluid
5555
Pfeilarrow
5656
Innenwandinner wall
5757
weitere Vertiefungenfurther wells
5858
Flügelprofilairfoil
5959
Oberflächesurface
6060
Vorderkanteleading edge
6161
Grenzschichtinterface
6262
Fluidfluid
6363
Pfeilarrow
6464
Geschwindigkeitsprofilvelocity profile

Claims (14)

Fläche zum Anordnen in einem strömenden Fluid (13, 34, 45, 54) mit einer Oberflächenebene (11, 25, 37, 51), und mit Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung eines rotierbaren Rotationsmittels (16, 29) in der Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) ausgebildet ist, und dass die Rotationsbewegung in einem der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) zugeordneten Kontaktbereich (23, 32, 42, 43) eine in Strömungsrichtung des Fluids (13, 34, 45, 54) gerichtete Bewegungskomponente hat.Surface for placement in a flowing fluid (13, 34, 45, 54) having a surface plane (11, 25, 37, 51), and recesses (12, 26, 27, 38, 39, 52) for reducing flow resistance, characterized in that the respective recess (12, 26, 27, 38, 39, 52) for forming a stable rotational movement of a rotatable rotating means (16, 29) in the recess (12, 26, 27, 38, 39, 52) is formed is, and that the rotational movement in one of the surface plane (11, 25, 37, 51) associated contact region (23, 32, 42, 43) has a direction of flow of the fluid (13, 34, 45, 54) directed movement component. Fläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich in einer Ebene mit der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) angeordnet ist.Surface according to claim 1, characterized in that the contact region is arranged in a plane with the surface plane (11, 25, 37, 51). Fläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) als ein Kanal ausgebildet ist, wobei vorzugsweise ein Querschnitt des Kanals zum Ausbilden der Rotationsbewegung des Rotationsmittels (16, 29) um eine Längsachse des Kanals, insbesondere mittels eines Antriebes, ausgebildet ist.A surface according to claim 1 or 2, characterized in that the recess (12, 26, 27, 38, 39, 52) is formed as a channel, preferably a cross section of the channel for forming the rotational movement of the rotating means (16, 29) a longitudinal axis of the channel, in particular by means of a drive, is formed. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52), insbesondere zum Erzeugen einer laminaren Rotationsströmung um die Längsachse der jeweiligen Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52), eine kreissegmentförmige Kontur haben.Surface according to one of the preceding claims, characterized in that the cross-sections of the recesses (12, 26, 27, 38, 39, 52), in particular for generating a laminar rotational flow about the longitudinal axis of the respective recess (12, 26, 27, 38, 39, 52), have a circular segment-shaped contour. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) in der Größenordnung der Dicke einer hydrodynamischen Grenzschicht (14, 33, 44, 53) liegen, insbesondere entsprechen die Durchmesser der Dicke der Grenzschicht (14, 33, 44, 53) am Ort der jeweiligen Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52), vorzugsweise liegen die Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 20 mm, und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm.Surface according to one of the preceding claims, characterized in that the diameters of the depressions (12, 26, 27, 38, 39, 52) are of the order of magnitude of the thickness of a hydrodynamic boundary layer (14, 33, 44, 53), in particular the diameters correspond the thickness of the boundary layer (14, 33, 44, 53) at the location of the respective recess (12, 26, 27, 38, 39, 52), preferably the diameters in the range of 1 mm to 20 mm, particularly preferably in the range of 10 mm to 20 mm, and most preferably in a range of 1 mm to 2 mm. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite eines Vertiefungsspaltes für jeweils eine Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) durch zwei einander zugewandte Flächenkanten (19, 20), insbesondere in der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51), bestimmt ist und der Durchmesser der jeweiligen Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) größer ist als die Breite des zugehörigen Vertiefungsspaltes.Surface according to one of the preceding claims, characterized in that a width of a recess gap for each recess (12, 26, 27, 38, 39, 52) by two mutually facing surface edges (19, 20), in particular in the surface plane (11, 25, 37, 51) is determined, and the diameter of the respective recess (12, 26, 27, 38, 39, 52) is greater than the width of the associated recess gap. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich durch die Rotationsbewegung des jeweiligen Rotationsmittels (16, 29) ergebende Rotationsachse parallel zur Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) angeordnet ist, und vorzugsweise die Rotationsachse rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids (13, 34, 45, 54) ausgerichtet ist.Surface according to one of the preceding claims, characterized in that an axis of rotation resulting from the rotation means (16, 29) resulting axis of rotation parallel to the surface plane (11, 25, 37, 51) is arranged, and preferably the axis of rotation perpendicular to the flow direction of the fluid (13, 34, 45, 54) is aligned. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den Querschnitten der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) ausgehend von einer Längsachse der jeweiligen Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) und zwischen den beiden einander zugewandten und der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) zugeordneten Flächenkanten (19, 20), ein Öffnungswinkel von weniger als 90°, insbesondere von weniger als 60°, besonders bevorzugt von weniger als 30°, und am meisten bevorzugt zwischen 25° und 30°, ergibt.Surface according to one of the preceding claims, characterized in that in the cross-sections of the recesses (12, 26, 27, 38, 39, 52), starting from a longitudinal axis of the respective recess (12, 26, 27, 38, 39, 52) and between the two mutually facing and the surface plane (11, 25, 37, 51) associated surface edges (19, 20), an opening angle of less than 90 °, in particular less than 60 °, more preferably less than 30 °, and most preferably between 25 ° and 30 °. Fläche nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Rotationsmittel (16, 29) das Fluid (13, 34, 45, 54) oder ein, insbesondere im Vergleich zum Fluid (13, 34, 45, 54), niederviskoses Strömungsmedium, vorzugsweise Helium, dient.Surface according to one of claims 3 to 8, characterized in that as rotation means (16, 29) the fluid (13, 34, 45, 54) or, in particular compared to the fluid (13, 34, 45, 54), low viscosity Flow medium, preferably helium, is used. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Kühlen und/oder Erwärmen der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) vorgesehen ist.Surface according to one of the preceding claims, characterized in that a device for cooling and / or heating of the recesses (12, 26, 27, 38, 39, 52) is provided. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Innenwand (48, 56) der Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) mindestens eine weitere Vertiefung (47, 57) aufweist und/oder mindestens zwei Vertiefungen (38, 39) mittels mindestens einer weiteren Vertiefung (47, 57) miteinander verbunden sind, wobei vorzugsweise die weitere Vertiefung (47, 57) als eine Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Surface according to one of the preceding claims, characterized in that in each case an inner wall (48, 56) of the recesses (12, 26, 27, 38, 39, 52) has at least one further recess (47, 57) and / or at least two recesses (38, 39) by means of at least one further recess (47, 57) are interconnected, wherein preferably the further recess (47, 57) as a recess (12, 26, 27, 38, 39, 52) according to one of the preceding claims is trained. Fläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) und/oder die weiteren Vertiefungen (47, 57) in einer selbstähnlichen Anordnung, insbesondere in einer fraktalen Anordnung, angeordnet und unter einander verbunden sind.Surface according to one of the preceding claims, characterized in that the recesses (12, 26, 27, 38, 39, 52) and / or the further recesses (47, 57) arranged in a self-similar arrangement, in particular in a fractal arrangement, and are connected with each other. Verfahren zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes einer Fläche mit einer Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) bei dem Vertiefungen (12, 26, 27, 38, 39, 52) in die Fläche eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) ein rotierbares Rotationsmittel (16, 29) zum Ausbilden einer stabilen Rotationsbewegung in der Vertiefung (12, 26, 27, 38, 39, 52) zugeordnet wird, und dass das Rotationsmittel (16, 29) in die Rotationsbewegung versetzt wird, wobei das Rotationsmittel (16, 29) in einem der Oberflächenebene (11, 25, 37, 51) zugeordneten Kontaktbereich (23, 32, 42, 43) mindestens teilweise in Strömungsrichtung des Fluids (13, 34, 45, 54) bewegt wird.Method for reducing a flow resistance of a surface having a surface plane (11, 25, 37, 51) in which depressions (12, 26, 27, 38, 39, 52) are introduced into the surface, characterized in that in each case one depression (12 , 26, 27, 38, 39, 52) is assigned a rotatable rotation means (16, 29) for forming a stable rotational movement in the recess (12, 26, 27, 38, 39, 52), and in that the rotation means (16, 29) is set in the rotational movement, wherein the rotation means (16, 29) in one of the surface plane (11, 25, 37, 51) associated with the contact area (23, 32, 42, 43) at least partially in the flow direction of the fluid (13, 34, 45, 54) is moved. Verwendung einer Fläche nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als eine Verkleidungsfläche für ein Fortbewegungsmittel und/oder als eine Beschichtung für eine Vorrichtung, insbesondere im Bereich der Medizintechnik, des Fluggerätebaus, des Windenergieanlagenbaus und/oder des Triebwerkbaus.Use of a surface according to one of claims 1 to 12 as a cladding surface for a means of locomotion and / or as a coating for a device, in particular in the field of medical technology, aircraft construction, wind energy plant construction and / or engine construction.
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