Optimierung der strömungsmechanischen Auslegung von Energiemaschinen durch Einsatz von Hochrate-Laserstrukturierungstechnologien – OstrALas
Mikrostrukturen nach dem Vorbild der Haifischhaut können Energieverluste an umströmten Oberflächen minimieren. Im Vorhaben werden Lösungen entwickelt, um geeignete Strukturen, sogenannte Riblets, mit Hilfe von Laserstrahlung schnell und großflächig herzustellen.
Ziele
Auf Basis der lasergestützten Oberflächenmikrostrukturierung sollen anwendungsnahe neue Methoden zur Optimierung der strömungsmechanischen Auslegung von Energiemaschinen (z.B. Windkraftanlagen oder Gasturbinen) oder von strömungsausgesetzten Bauteilen (z.B. Bahn-, Flugzeug- oder Schiffsrümpfe) erarbeitet werden. In diesem Zusammenhang müssen praxistaugliche Strukturformen von Riblets ermittelt und deren strömungsoptimierende Wirksamkeit nachgewiesen werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Forschungsarbeiten ist es, Prozessraten zu demonstrieren, die den kommerziellen Einsatz des Verfahrens im industriellen Maßstab ermöglichen sollen. Die zu erwartenden innovativen Erkenntnisse sollen wertvolle Beiträge für die Themengebiete Energieeffizienz und Ressourcenschonung liefern.
Thematische Schwerpunkte
1. Simulation und Berechnung von strömungsoptimierenden Mikrostrukturen (Riblets)
Die Form und Größe der Riblets ist von vielen Einflussfaktoren, wie beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit oder der Viskosität des umströmenden Mediums, abhängig. Diesbezüglich müssen komplexe Simulationsmodelle entwickelt werden, um je nach Anwendungsfall die optimale Riblet-Geometrie berechnen zu können.
2. Entwicklung von Prozesstechnik und Ermittlung von Verfahrensparametern
Nur mit dem Einsatz von Hochleistungs-Lasersystemtechnik und geeigneten Verfahrensparametern lassen sich die strömungsoptimierenden Mikrostrukturen schnell und großflächig, aber dennoch präzise herstellen. All diese Anforderungen erfüllen zu können, ist Gegenstand der Forschungsarbeiten.
3. Laserbasierte Herstellung der Riblets und Nachweis der strömungsoptimierenden Wirksamkeit
Durch Messungen im Windkanal wird die strömungsoptimierende Wirksamkeit der laserbearbeiteten Oberflächen überprüft bzw. nachgewiesen.
4. Herstellung von Demonstratoren
Anhand von unterschiedlichen Demonstratoren sollen die Anwendungsvielfalt der lasergenerierten Riblets und die Leistungsfähigkeit des Herstellungsverfahrens präsentiert werden.