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Case Study

One, two, three, GO! Reduktion von Luftwiderstand mittels Oberflächenstrukturen

Branche

Sport

Kunde

Österreichischer Bob- und Skeletonverband

Leistung

External Aerodynamic

Aufgabe

Verringerung des Luftwiderstands. Zeitgewinn von einigen Hundertsteln im olympischen Rennsport

Lösung

Neugestaltung von Rennanzügen durch Modifizierung der Oberflächenstruktur an vordefinierten Stellen der Anzüge.

Kundennutzen

Keine Notwendigkeit, mehrere teure und zeitaufwändige Testreihen durchzuführen, um die Ursache herauszufinden, da die Simulation ein eindeutiges Ergebnis liefert. 

Projektdetails

Stellen Sie sich eine steile Eisrinne vor, in der ein Athlet liegt und mit dem Kopf nach unten – nur wenige Zentimeter vom Eis entfernt – die Bahn hinunter rast. Der Skeleton-Schlitten erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 150 km/h und eine Gravitationskraft von bis zu 5 G. Vielleicht kennen Sie diesen Nervenkitzel von Achterbahnen, aber für Skeleton-Sportler ist dies Alltag. Skeleton-Slider sind auf der Suche nach einem Maximum an Beschleunigung, während die Athleten einen enormen Druck auf ihren Körper ausüben, um jeden einzelnen Zentimeter und Medaillen kämpfen. Ein begnadeter Hochleistungssportler zu sein, der den Schlitten mit nur kleinen Schulter- und Knieverschiebungen über eine Eisfläche steuert, ist das eine, um Medaillenchancen zu haben, aber, ist letzlich das technische Können nie der einzige Faktor, der über Spitzenleistungen entscheidet. Wer nicht das Maximum aus seiner Ausrüstung herausholt, verschenkt einen großen Wettbewerbsvorteil. Im Laufe der Zeit hat sich die Sportausrüstung weiterentwickelt, denn um Spitzenleistungen zu erzielen, muss man an die Grenzen gehen. Deshalb haben wir von bionic surface technologies GmbH (BST) in Zusammenarbeit mit GRDXKN den Auftrag vom Österreichischen Bob- und Skeletonverband (ÖBSV) erhalten, die Rennanzüge für das Bob- und Skeletonteam zu verbessern.

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Abbildung 1: Dimples auf Textil . Foto ©GRDXKN

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Abbildung 2: Simulation einer Flüssigkeitseinspritzung

Funktionelle Oberflächen sind von größter technischer Bedeutung, da sie es uns beispielsweise ermöglichen, die Oberfläche eines Materials zu verändern, um seine Eigenschaften zu verbessern oder neue Funktionalitäten zu erreichen, die das Grundmaterial nicht hat. Positive Effekte können durch Vertiefungen oder durch den Abrisskanteneffekt erzielt werden. Kanten in Oberflächen von stumpfen Körpern bewirken an bestimmten Stellen eine Strömungsablösung. Bewusst herbeigeführte Veränderungen der Richtung und Lage der Ablösung der Grenzschicht von der Oberfläche in eine Nachlaufströmung können positive oder negative Auswirkungen haben. Ziel ist es, den Luftwiderstand zu verringern, indem man erreicht, dass sich die Umströmung des Objekts günstig verändert. Ob eine frühere oder spätere Ablösung in einem bestimmten Bereich günstig ist, kann durch numerische Simulationen ermittelt werden. Wir berechneten die anwendbare Strömungsdynamik für die Rennanzüge und minimierten die Ablösezone, indem wir eine konkave Struktur hinzufügten, die eine Strömungsablösung in diesem Bereich bewirkte. Schließlich druckte GRDXKN die konkave Oberflächenstruktur auf die Rennanzüge. Die optimierte Oberflächenstruktur reduzierte den Luftwiderstand und verbesserte die aerodynamische Leistung erheblich. Diese aerodynamisch wirksame Abrisskante führte zu einer unglaublichen Reduzierung von 4,2 Prozent.

Ergebnisse

Ursachenforschung lässt sich durchführen, indem man Theorie für Theorie vor Ort testet. Der elegantere und kostengünstigere Weg ist die Durchführung einzelner Simulationen. Simulationen haben den großen Vorteil, dass man verschiedene Hypothesen überprüfen kann, ohne überhaupt einen Test durchzuführen. Dadurch wird der Zeit- und Kostenaufwand für Testkapazitäten erheblich eingeschränkt. Im vorliegenden Fall bestand der mikrofluidische Chip aus mehrschichtigen Folien. Da die Folien entweder hydrophobe oder hydrophile Eigenschaften hatten, führten kleine Defekte in der Laminatschicht während des Herstellungsprozesses zu Irritationen. Die Luftblasen waren also eine Folge der Hydrophobie, da der mikofluidische Fluss im Flüssigkeitskanal mit hydrophilen Eigenschaften aufgrund des Kapillareffekts anstieg. Selbst kleine Bereiche mit Oberflächenfehlern in der Laminatschicht erzeugten den bekannten Lotuseffekt. Die Flüssigkeit strömte seitlich an der hydrophilen Festkörperoberfläche schneller, während sie die Luftblasen umspülte, wie die Abbildung deutlich zeigt. Mit Hilfe von Simulationen konnten wir nachweisen, dass Änderungen des Kontaktwinkels der Oberfläche für den Lufteinschluss – die Blasen – verantwortlich sind. 

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Abbildung 3: Visualisierung der Strömung