Vielen Dank für Ihren Besuch auf nature.com.Sie verwenden eine Browserversion mit eingeschränkter CSS-Unterstützung.Um die beste Erfahrung zu erzielen, empfehlen wir Ihnen, einen aktuelleren Browser zu verwenden (oder den Kompatibilitätsmodus im Internet Explorer zu deaktivieren).In der Zwischenzeit zeigen wir die Website ohne Stile und JavaScript an, um eine kontinuierliche Unterstützung zu gewährleisten.Slider mit drei angezeigten Artikeln pro Slide.Verwenden Sie die Schaltflächen „Zurück“ und „Weiter“, um durch die Folien zu navigieren, oder die Schaltflächen des Schiebereglers am Ende, um durch die einzelnen Folien zu navigieren.Tahir Mehmood, Muhammad Ramsan, … Yu-Ming ChuAnum Shafiq, Tabassum Naz Sindhu & Qasem M. Al-MdallalShahid Hussain, Kianat Rasheed, … Zahir ShahGuoqing Zhao, Qijun Zhao und Xi ChenQuoc Vo & Tuan TranAuwalu Hamisu Usman, Noor Saeed Khan, … Amyia BhaumikWasim Jamshed, Dumitru Baleanu, … Khadiga Ahmed IsmailJianlong Chang, Xinlei Duan, … Yutian PanBagh Ali, Imran Siddique, … Dumitru BaleanuScientific Reports Band 12, Artikelnummer: 15022 (2022 ) Diesen Artikel zitierenDie Reduzierung des Luftwiderstands für einen steilen Körper ist in einer Zeit, in der das Bewusstsein für die Umweltauswirkungen und die Nachhaltigkeit von Flugreisen steigt, unerlässlich.Die Mikrofaserbeschichtung hat ihre Fähigkeit bewiesen, den Luftwiderstand auf einem steilen Körper zu reduzieren.Dies erfolgte durch Aufbringen von Streifen der Beschichtung auf einen Zylinder.Um den Anwendungsbereich der Mikrofaserbeschichtung zu erweitern, wird ein vollständig mikrofaserbeschichteter Zylinder untersucht, da er keine Richtungsabhängigkeit in Bezug auf die ankommende Strömung aufweist.Es wird die Hypothese aufgestellt, dass eine große Beschichtungsabdeckung eine von der Reynolds-Zahl Re abhängige Verringerung des Luftwiderstands bewirkt.Der vollständig mit Mikrofaser beschichtete Zylinder wird im Windkanal untersucht und der Luftwiderstandsbeiwert in einem Bereich von Re im unterkritischen Strömungsbereich bestimmt.Es zeigt sich, dass der Luftwiderstandsbeiwert des mikrofaserbeschichteten Zylinders eine Funktion von Re ist und die kritische Reynolds-Zahl, bei der die maximale Widerstandsreduzierung auftritt, für einen mikrofaserbeschichteten Zylinder niedriger ist als die eines herkömmlichen Zylinders mit glatter Oberfläche .Die Widerstandsreduzierung für ein energieeffizientes Bluff-Body-System ist ein Hauptaugenmerk in der Fluiddynamik1,2.Es hat wirkungsvolle Anwendungen bei der Verbesserung der Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen, was in einer Zeit zunehmender Besorgnis über die nachteiligen Umweltauswirkungen von Fahrzeugemissionen von entscheidender Bedeutung ist3,4,5.Bei einem stumpfen Körper wird ein Druckwiderstand erzeugt, wenn ein ungünstiger Druckgradient dazu führt, dass sich die Strömung über dem Körper ablöst, aber dieser Widerstand kann gemildert werden, indem die Strömung aufrechterhalten wird6,7.Ein Zylinder wird üblicherweise als repräsentative Geometrie für stumpfe Körper verwendet und wurde ausführlich untersucht8,9,10.Daher gibt es zahlreiche Bemühungen, eine Widerstandsminderungsvorrichtung an einem Zylinder zu entwickeln 11 , 12 .Beispiele für solche Strömungssteuervorrichtungen umfassen Änderungen der Oberflächenrauhigkeit13,14,15, zylindrische Stäbe16,17,18,19,20,21,22,23, Vertiefungen24,25, Wirbelgeneratoren26,27, durchlässige Oberflächen28,29,30 und textile Oberflächen31,32.Eine haarähnliche Struktur hat die Flexibilität, sowohl passive als auch adaptive Wirkungen auf die Strömung zu erzeugen.Mehrere numerische Studien haben gezeigt, dass ein spontaner Symmetriebruch eines flexiblen Filaments, das an der Rückseite eines Zylinders befestigt ist, den Widerstand verringert und einen Auftrieb erzeugt33,34,35,36.Während sich diese Studien auf die Entwicklung theoretischer Modelle unter Verwendung eines numerischen Ansatzes konzentrieren, führten Hasegawa und Sakaue experimentell eine Mikrofaserbeschichtung als flexible haarähnliche Struktur zur Reduzierung des Luftwiderstands ein37,38.Ihre Studien haben gezeigt, dass ein Zylinder mit Streifen aus Mikrofaserbeschichtung eine Verringerung des Luftwiderstands erzielt, wenn die Streifen zwischen 10° und 60° und zwischen 100° und 140° von der vorderen Stagnationsstelle platziert werden38.Der erstgenannte Bereich ist ein luvseitiger Ort vor der Strömungsablösung, und der letztere Bereich ist ein leeseitiger Ort nach der Ablösung bei einer festen Reynolds-Zahl Re von 6,1 × 104. Fasern mit einer Länge von weniger als 2 % eines Zylinderdurchmessers erzielten eine höhere Widerstandsreduzierung wenn auf der windzugewandten Seite platziert.Im Gegensatz dazu führten Fasern mit einer Länge von mehr als 3 % eines Zylinderdurchmessers zu einer höheren Widerstandsreduzierung auf der Leeseite.Symmetrisch zur Strömungsrichtung auf den Zylinder gelegte Streifen der Beschichtung mit einer Länge von 1 % Zylinderdurchmesser ergaben bei 40°39 die höchste Widerstandsminderung von 51 %.Längere Fasern mit einer Länge von 8 % eines Zylinderdurchmessers, die auf der Leeseite platziert wurden, ergaben eine maximale Widerstandsreduzierung von 16 % bei 110°40.Basierend auf den Konfigurationen in früheren Studien ergibt sich eine Hypothese, dass eine kürzere Faser und eine breitere Beschichtungsabdeckung auf der Luvseite die Widerstandsreduzierung am besten verbessern könnten.Um die Mikrofaserbeschichtung auf verschiedene Fluiddynamikprobleme aufzubringen, ist es wünschenswert, die Richtung der Beschichtung zu entfernen, indem die Beschichtung vollständig über einer Zylinderoberfläche bedeckt wird.Es ist jedoch unklar, ob die vollständig bedeckte Beschichtung den Luftwiderstand verringern würde.Da der Zylinderwiderstand eine Funktion von Re13,41 ist, ergibt sich eine weitere Hypothese, dass die Widerstandsminderungsleistung des vollständig mikrofaserbeschichteten Zylinders auch eine Funktion von Re ist.Ziel dieser Studie ist es, diese Hypothesen zu bewerten, indem der Luftwiderstandsbeiwert des vollständig mikrofaserbeschichteten Zylinders für einen Bereich von Re im unterkritischen Strömungsbereich bestimmt wird.Es wird auch die Widerstandsreduzierungsleistung eines vollständig mikrofaserbeschichteten Zylinders demonstrieren, der mit den oben genannten Konfigurationen verglichen werden kann.Das Experiment wurde unter Verwendung des Unterschallwindkanals im Hessert Laboratory an der University of Notre Dame durchgeführt.Die Teststrecke des Windkanals hat einen quadratischen Querschnitt von 0,61 m und eine Länge von 1,83 m.Der Tunnel ist ein offenes Rückführungsdesign, das einen Luftstrom aus dem Laborraum in den Testabschnitt saugt.Der Windkanal enthält einen Kontraktionsabschnitt mit einem Verhältnis von 20:1, um den Luftstrom gleichmäßig zu verteilen.Am Einlass des Windkanals ist eine Reihe von 12 Sieben mit Wabenmuster installiert, um im freien Strom ein Turbulenzniveau von 0,1 % zu erreichen.Ein Kreiszylinder mit und ohne Mikrofaserbeschichtung wurde im Kreuzstrom angeordnet, um ein Strömungsfeld an der Teststrecke zu erzeugen.Der verwendete Kreiszylinder wurde aus einem massiven Kunststoff gefräst.Der Zylinder hatte einen Durchmesser D von 50 mm, eine Spannweitenlänge L von 610 mm und ein Längenverhältnis L/D von 12. Das Blockierungsverhältnis des Zylinders zum Testabschnitt betrug 8 %.Das Re basierend auf dem Zylinderdurchmesser wurde von 2 × 104 bis 10 × 104 variiert, was innerhalb des unterkritischen Strömungsregimes lag10,42.Der Re bezogen auf den Zylinderdurchmesser wurde aus folgender Gleichung ermittelt:wobei U∞ die Freistrahl-Fluggeschwindigkeit und ν die kinematische Viskosität von Luft ist.Der Zylinder war vollständig von der Mikrofaserbeschichtung bedeckt, wie in Fig. 1a dargestellt.Die Faserlänge k betrug 0,5 mm basierend auf der vorherigen Studie38,39.Bezogen auf den Zylinderdurchmesser weist die Faser ein Verhältnis von Länge zu Zylinderdurchmesser k/D von 1 % auf.Abbildung 1b und c zeigen mikroskopische Bilder der Mikrofaserbeschichtung.Der Durchmesser der Faser betrug etwa 14 Mikron.Durch Zählen der Anzahl der Mikrofasern pro Flächeneinheit auf den Mikroskopbildern wurde die mittlere Oberflächendichte der Faser mit 121 Fasern/mm2 ermittelt.Die Mikrofaserbeschichtung wurde aus Nylon 6/6, Poly(Hexamethylenadipamid, Campbell Coutts Ltd., Eastleigh, UK) hergestellt.Der Elastizitätsmodul wurde auf etwa 26–46 [cN/dtex] geschätzt.Die Mikrofaserbeschichtung wurde durch Aufbringen der Fasern auf eine 50 µm dicke Epoxidschicht auf der Zylinderoberfläche unter Verwendung eines elektrostatischen Beflockungsverfahrens hergestellt43.Ein Schema des vollständig mikrofaserbeschichteten Zylinders.(a) Beschichtungskonfiguration auf dem Zylindermodell.Die Faserlänge k betrug 0,5 mm, was 1 % des Zylinderdurchmessers entsprach.(b) Ein Mikroskopbild einer hergestellten Mikrofaserbeschichtung von oben gesehen.(c) Ein Mikroskopbild einer hergestellten Mikrofaserbeschichtung von der Seite gesehen.Das Zylindernachlaufprofil wurde durch eine vertikal querende Pitot-Sonde an einer Stelle 6D stromabwärts der Hinterkante des Zylinders gemessen.Ein Aufbau der Nachlaufprofilmessung ist schematisch in Abb. 2a und b dargestellt.Der Nachlauf wurde in einem Bereich von ± 3D von der horizontalen Mittellinie des Zylinders gescannt.Über den gesamten Scanbereich wurden insgesamt 25 Datenpunkte gesammelt, mit einem Abstand von 12,7 mm zwischen jedem Punkt.Zur Steuerung des Scans wurde ein Schrittmotor-Verfahrsystem (PDO3540, Applied Motion Products, Watsonville, CA, USA) verwendet.Die Freistromströmung wurde auch durch eine feststehende Pitot-Sonde an einer Stelle 4D stromaufwärts von der Vorderkante des Zylinders gemessen.Zur Ermittlung des Nachlaufgeschwindigkeitsprofils wurde der Staudruck im Zylindernachlauf gemessen.Die Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen P∞ und dem Nachlauf Pwake wurde ebenfalls gemessen, um den in späteren Abschnitten beschriebenen Luftwiderstand zu berechnen.Zur Bestimmung der Freistrahlgeschwindigkeit wurde der Freistrahl-Staudruck q∞ gemessen.Für Druckmessungen wurden Differenzdruckwandler (Modell 239, Setra Systems, Boxborough, MA, USA) verwendet, die einen Skalenendwertbereich von 0 bis 2,5 Zoll Wassersäule und eine Genauigkeit von ± 0,14 % des Skalenendwerts aufweisen.Eine Datenerfassungskarte (DT9836, Data Translation, Marlborough, MA, USA) sammelte die Ausgangssignale des Druckwandlers.Jede Druckmessung wurde 10 s lang mit 1 kHz abgetastet.Der gesammelte Datensatz wurde zeitlich gemittelt.Schema der Nachlaufprofilmessung.(a) Konfiguration von Zylindermodell und Pitot-Sonden im Windkanal.(b) Aufbau einer Differenzdruckmessung mit Pitot-Sonden.Um den durch die Mikrofaserbeschichtung beeinflussten Fluss zu verstehen, wurde eine Visualisierung des Rauchflusses um den Zylinder herum durchgeführt.Ein Punkt der Strömungsablösung wurde unter Verwendung des erfassten Bildes aus der Strömungsvisualisierung bestimmt.Nebelstreifenlinien entlang der Mittelebene des Windkanal-Testabschnitts wurden durch Injizieren von Impfpartikeln von der Stromaufwärtsseite des Windkanals erzeugt.Die Impfpartikel von Tröpfchen (TOPAS, DEHS Aerosol Liquid for Atomizer) wurden durch einen Partikelseeder (TSI, SIX-JET ATOMIZER9306) erzeugt und hatten einen Durchmesser von weniger als 1 &mgr;m.Die geströmte Strömung wurde durch eine Laserfolie beleuchtet, die von einem blauen Laser (NECSEL, Blue 445-10 W) mit einer zylindrischen Linse bereitgestellt wurde.Die Nebelstreifenlinien wurden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera (Photron, FASTCAM AX100) mit einer Bildrate von 3600 Bildern pro Sekunde aufgenommen.Der Luftwiderstand pro Spannweiteneinheit des Zylinders f wurde durch die Impulsänderung in Strömungsrichtung innerhalb eines zweidimensionalen Kontrollvolumens ermittelt44:wobei ρ die Dichte der Luft ist, U∞ die gleichmäßige Geschwindigkeit vor dem Zylinder im Freistrahl ist, uwake das Geschwindigkeitsprofil hinter dem Zylinder ist, P∞ der Freistrahldruck vor dem Zylinder ist und Pwake der Druck im Freistrahl ist Nachlaufstrom stromabwärts des Zylinders.Hier reichte das Kontrollvolumen von – 3D bis 3D in y-Richtung bzw. von – 4D bis 6D in x-Richtung, wie durch das gestrichelte Kästchen in Abb. 2 dargestellt. Die Impulsänderung kann daraus berechnet werden die Drücke und die Geschwindigkeitsprofile auf den stromaufwärtigen und stromabwärtigen planaren Kontrollvolumenoberflächen.Die Geschwindigkeitsprofile und die Änderung des statischen Drucks auf diesen Oberflächen wurden integriert, um f zu bestimmen.Der Luftwiderstandsbeiwert pro Spannweite des Zylinders cd kann dann berechnet werden durch:Um die Auswirkungen auf die Mikrofaserbeschichtung auf den Widerstand zu diskutieren, wurde der Drag Impact DI definiert:wobei cd_coating und cd_baseline die Luftwiderstandsbeiwerte des vollständig mikrofaserbeschichteten Zylinders bzw. des Basiszylinders sind.Diese wurden unter Verwendung von Gl.(2) und (3) mit entsprechenden Druck- und Geschwindigkeitsprofilen.Der DI vergleicht direkt die Änderung von cd bei einem gegebenen Re;ein negativer DI zeigt eine Verringerung des Luftwiderstands durch die Mikrofaserbeschichtung an, während ein positiver DI eine Erhöhung des Luftwiderstands anzeigt.Abbildung 3a und b zeigen eine Zeitreihe von Strichlinien um den Zylinder für die Basislinie bzw. den mikrofaserbeschichteten Zylinder.Das auf dem Zylinderdurchmesser basierende Re betrug 6,6 × 104. Für die in Fig. 3a gezeigte Basislinie wurden periodische Änderungen in den Strichlinien aufgrund von Wirbelablösung beobachtet, und eine Strömungsablösung trat bei etwa 80° auf.Dieses Verhalten wird basierend auf dem Strömungsmuster für einen glatten Zylinder in einem unterkritischen Strömungsregime42 erwartet, und es wird geschätzt, dass die Basislinie basierend auf der Reynolds-Zahl in dieser Studie eine laminare Grenzschicht aufwies.Für die in Fig. 3b gezeigte Mikrofaserbeschichtung war der Punkt der Strömungsablösung im Vergleich zu dem der Basislinie verzögert.Der Strömungsablösungspunkt wurde auf etwa 90° verlängert und die zwischen den sich trennenden Scherschichten gezeigte Nachlaufbreite stromabwärts des Zylinders verengt.Zeitreihen von Strichlinien um den Zylinder herum, die mit Rauchströmungsvisualisierung erfasst wurden.Das auf dem Zylinderdurchmesser basierende Re betrug 6,6 × 104. Das Symbol S zeigt den Punkt der Strömungsablösung an.Eine gestrichelte Linie mit Pfeilen zeigt sich trennende Scherschichten.Vergleich des Punktes der Strömungsablösung für (a) Grundlinie und (b) Mikrofaserbeschichtung.Die Strömungsablösung erfolgt auf dem Zylinder in einem größeren Winkel relativ zum Vorderkanten-Stagnationspunkt für den mikrofaserbeschichteten Zylinder als für den Basisfall.Denn die Mikrofaserbeschichtung bewirkt durch ihre Wechselwirkung mit der Strömung einen laminaren zu turbulenten Grenzschichtübergang über dem Zylinder.Die erhöhte Durchmischung der turbulenten Grenzschicht relativ zur laminaren Grenzschicht bedeutet, dass die Strömung über eine größere Ausdehnung des Zylinders anhaften bleibt.Dies ist in Abb. 3a und b sichtbar, die zeigen, dass die Hinzufügung der Mikrofaserbeschichtung dazu führte, dass sich der Ablösungspunkt zur Strömung hin zur Hinterkante des Zylinders verschob.Abbildung 4 zeigt Nachlaufgeschwindigkeitsprofile, normalisiert durch die Freistromgeschwindigkeiten für den Basislinienzylinder bzw. für den vollständig mikrofaserbeschichteten Zylinder.Der mit der Mikrofaserbeschichtung konnte das Geschwindigkeitsdefizit reduzieren, was darauf hindeutet, dass die Nachlaufregion stromabwärts des Zylinders reduziert wurde.Basierend auf Gl.(2) führt die Verringerung des Geschwindigkeitsdefizits zu einer Verringerung des Luftwiderstands.Da das Nachlaufgeschwindigkeitsprofil durch die stromaufwärtige Freistromgeschwindigkeit normalisiert ist, war das Profil außerhalb des Nachlaufs größer als eins.Für den mikrofaserbeschichteten Zylinder war die Geschwindigkeit außerhalb des Nachlaufs geringer als die des Basiszylinders.Dies liegt daran, dass der Basiszylinder einen größeren Nachlauf mit einem größeren Geschwindigkeitsdefizit hatte, was zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit außerhalb des Nachlaufs führte, um Masse zu sparen.Normalisiertes Geschwindigkeitsprofil im Nachlauf unterschiedlicher Zylinderkonfigurationen.Die Re bezogen auf den Zylinderdurchmesser betrug 6,6 × 104.Aus Gleichungen.(2) und (3) wurde der cd des Basiszylinders und des mikrofaserbeschichteten Zylinders erhalten.Die Feststoff- und Nachlaufblockierung um einen Zylinder erhöhte den dynamischen Druck, was zu einer Überschätzung der Luftwiderstandsbeiwerte45 führte.Zur Behandlung des Blockadeeffekts wurde eine Blockade-Korrekturmethode von Maskell angewendet46.Die Messung des Wachprofils wurde dreimal wiederholt.Der für die 3 Experimente berechnete cd wurde gemittelt, um den Mittelwert und die Standardabweichung für den Luftwiderstandsbeiwert bereitzustellen.Die cd-Kurven in Abb. 5 sind dann als Mittelwerte aufgetragen, mit Fehlerbalken basierend auf der Standardabweichung der 3 Experimente.Der Ausgangs-cd lag je nach Re im Bereich von 1,3 bis 1,4, was dem von Achenbach13 erhaltenen cd ähnlich war.1,3 bis 1,4 für die Baseline cd ist höher als die in der Literatur oft angegebenen 1,0 bis 1,242.Dies liegt an der Unsicherheit von Nachlaufmessungen auf Basis von Pitot-Sonden47.Luftwiderstandsbeiwert cd des vollständig mikrofaserbeschichteten Zylinders im Vergleich zu einem Basiszylinder und einem Zylinder mit aufgerauter Oberfläche für einen Bereich von Reynolds-Zahlen Re.Aus Abb. 5 geht hervor, dass der cw des mikrofaserbeschichteten Zylinders eine Funktion von Re ist und einen höheren Luftwiderstand im Vergleich zum Basiszylinder in der unteren Hälfte des getesteten Re aufwies, nämlich bei Re zwischen 2 × 104 und 4 × 104 .Bei Re ≈ 5 × 104 war die Widerstandskrise für den mikrofaserbeschichteten Zylinder zu sehen.Das kritische Re für einen Zylinder mit glatter Oberfläche, wie z. B. dem Referenzzylinder, liegt bei etwa 3 × 10513. Durch das vollständige Aufbringen der Mikrofaserbeschichtung auf eine Zylinderoberfläche wurde das kritische Re bei einem niedrigeren Re angezeigt.Die Widerstandsreduzierung aufgrund der Mikrofaserbeschichtung war das Ergebnis der Verschiebung des kritischen Re zu einem kleineren Re.Der Luftwiderstandsbeiwert eines mikrofaserbeschichteten Zylinders kann mit dem eines Zylinders mit aufgerauter Oberfläche verglichen werden, wie in Abb. 513,42 gezeigt.Sowohl die Mikrofaserbeschichtung als auch die aufgeraute Oberfläche führen zu einer dreidimensionalen Rauheit, die den Grenzschichtübergang verbessert.Der Hauptunterschied zwischen der Mikrofaserbeschichtung und der aufgerauten Oberfläche besteht darin, dass erstere ein flexibles Gerät und letzteres ein starres Gerät ist.Der Zylinder mit einer Rauheitshöhe, Ks, gleich 0,9 % des Zylinderdurchmessers, was nahe an der in der vorliegenden Studie verwendeten Mikrofaserhöhe liegt, zeigte eine ähnliche Verschiebung des kritischen Re für den Zylinder mit Mikrofaserbeschichtung 13,42.Allerdings ist das kritische Re der Mikrofaserbeschichtung niedriger als das der aufgerauhten Oberfläche.Die kritischen Re für den mikrofaserbeschichteten und aufgerauten Zylinder waren 5 × 104 und zwischen 5,5 × 104 bis 6 × 104 bzw. 13,42.Abbildung 6 zeigt den DI bezogen auf Re, um den Luftwiderstand der Basislinie und der mikrofaserbeschichteten Zylinder bei gleichem Re direkt zu vergleichen.Der DI zeigte keinen monotonen Trend.Zwischen 2,0 × 10 4 und 3,0 × 10 4 bestand für Re ein Widerstandsanstieg von etwa 5 %, angezeigt durch einen positiven DI, und von etwa 10 % bei einem Re von 4,0 × 10 4 . Oberhalb eines Re von 4,5 × – 10 4 wird der DI negativ und bleibt im getesteten Re-Bereich negativ, was eine Verringerung des Luftwiderstands im Vergleich zum Basislinienzylinder zeigt.Es wird angenommen, dass ein früherer Übergang zu einem kritischen Re von 5,0 × 104 dazu führte, dass die Nachlaufregion reduziert wurde, was zu einem negativen DI13 führte.Bei diesem kritischen Re von 5,0 × 104 erreichte der mikrofaserbeschichtete Zylinder eine maximale Widerstandsreduzierung von 32 % im Vergleich zum Basiszylinder.Sobald der Re über diesen kritischen Wert hinaus angestiegen war, begann die Verringerung des Luftwiderstands abzunehmen.Widerstandswirkung DI bezogen auf die Reynolds-Zahl Re.Bei niedrigerem Re bewirkt die Mikrofaserbeschichtung eine Erhöhung des Luftwiderstands, angezeigt durch den positiven Wert für DI.Dies liegt an der Zunahme der Oberflächenrauhigkeit über der Oberfläche des Zylinders, die durch die Mikrofaserbeschichtung verursacht wird.Bleibt die Grenzschicht, wie es bei geringer Re-Strömung im Allgemeinen der Fall ist, über die gesamte Oberfläche laminar, führt eine Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit zu einer Erhöhung der Mantelreibung und des Gesamtwiderstandsbeiwerts.Bei Re größer als 4,5 × 104 verursacht die Mikrofaserbeschichtung jedoch eine starke Abnahme des Luftwiderstandsbeiwerts, was durch den negativen Wert für DI angezeigt wird.Dieser scharfe Abfall ist dem sehr ähnlich, was für den Luftwiderstandsbeiwert eines Zylinders beobachtet wird, wenn Re über einen bestimmten kritischen Wert von Re hinaus ansteigt.Nachdem der Re über einen bestimmten Punkt ansteigt, tritt ein Phänomen auf, das als Luftwiderstandskrise bekannt ist, und damit ein starker Abfall des Luftwiderstandsbeiwerts.Dieses kritische Re ist auf einen Übergang in der Grenzschicht von laminar zu turbulent zurückzuführen, der eine Verzögerung der Strömungsablösung und eine Verringerung des Druckwiderstands bewirkt.Die Zugabe der Mikrofaserbeschichtung bewirkt den Übergang von laminar zu turbulent bei niedrigem Re, wodurch das kritische Re reduziert wird, das für diese Strömungswiderstandskrise erforderlich ist.Die Leistung eines vollständig mikrofaserbeschichteten Zylinders kann auch mit Zylindern mit unterschiedlicher Bedeckung der Mikrofaserbeschichtung verglichen werden.In früheren Studien zeigten Hasegawa und Sakaue die Verringerung des Luftwiderstands für verschiedene Mikrofaserbeschichtungskonfigurationen in Bezug auf den Abdeckungsbereich und die Position der Beschichtung auf einem Zylinder39.Es zeigte sich, dass eine maximale Widerstandsreduktion von 51 % möglich ist, was höher war als die Widerstandsreduktion der vorliegenden Studie.Dies wurde erreicht, indem Mikrofaserbeschichtungsstreifen bei 40◦ über und unter dem vorderen Stagnationspunkt auf der horizontalen Mittellinie bei Re von 6,1 × 104 angebracht wurden. Durch den Vergleich dieser Arbeit mit früheren Studien wird gezeigt, dass bei einem gegebenen Re dies der Fall ist eine optimale Abdeckung und Position sein, um die Widerstandsreduzierung zu maximieren, und die vollständig mikrofaserbeschichtete Konfiguration ist nicht optimal, um die Widerstandsreduzierung zu maximieren.Ein vollständig mikrofaserbeschichteter Zylinder wurde im Bereich der Reynolds-Zahl Re im unterkritischen Strömungsbereich auf Widerstandsreduzierung untersucht.Zur Ermittlung des Luftwiderstandsbeiwerts cw sowie einer Charakterisierung des Nachlaufprofils wurde eine Nachlaufmessung durchgeführt.Die Ergebnisse zeigten, dass cd eine Funktion von Re ist und die Strömungswiderstandskrise bei Re ≈ 5 × 104 statt bei dem kritischen Re von 3 × 105 für einen herkömmlichen Zylinder mit glatter Oberfläche auftrat.Im Vergleich zu einem Zylinder mit glatter Oberfläche wurde bei gleichem Re eine maximale Widerstandsreduzierung von 32 % erzielt.Im Vergleich zu einem Zylinder mit glatter Oberfläche im unterkritischen Strömungsbereich fungierte die vollständig bedeckte Mikrofaserbeschichtung als Widerstandsreduzierungsvorrichtung bei Re über 4,5 × 104. Es wurde gezeigt, dass bei einem gegebenen Re eine optimale Abdeckung und vorhanden ist Position, um die Widerstandsreduzierung zu maximieren, und die vollständig mikrofaserbeschichtete Konfiguration ist nicht optimal, um die Widerstandsreduzierung zu maximieren.Die Datensätze, die während der aktuellen Studie generiert und/oder analysiert wurden, sind auf begründete Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.Choi, H., Jeon, W.-P.& Kim, J. Steuerung des Flusses über einem stumpfen Körper.JährlichRev. Fluidmech.40, 113–139 (2008).Artikel ADS MathSciNet MATH Google ScholarPastoor, M., Henning, L., Noack, BR, King, R. & Tadmor, G. Feedback-Scherschichtsteuerung für die Reduzierung des Luftwiderstands am stumpfen Körper.J. Fluidmech.608, 161–196 (2008).Artikel ADS MATH Google ScholarAhmed, SR, Ramm, G. & Faltin, G. Einige herausragende Merkmale des zeitgemittelten Nachlaufs von Bodenfahrzeugen.SAE-Trans.93, 473–503 (1984).Hucho, W. & Sovran, G. 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Studie zur Widerstandsreduzierung eines mikrofaserbeschichteten Zylinders.Sci Rep. 12, 15022 (2022).https://doi.org/10.1038/s41598-022-19302-5DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19302-5Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:Leider ist für diesen Artikel derzeit kein teilbarer Link verfügbar.Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedItDurch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich mit unseren Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einverstanden.Wenn Sie etwas missbräuchlich finden oder unseren Bedingungen oder Richtlinien nicht entsprechen, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.Wissenschaftliche Berichte (Sci Rep) ISSN 2045-2322 (online)Melden Sie sich für den Nature Briefing-Newsletter an – was in der Wissenschaft wichtig ist, täglich kostenlos in Ihrem Posteingang.