Basierend auf dem Widerstandsreduzierungseffekt der natürlich gebildeten rillenförmigen Struktur auf der Oberfläche der Haifischhaut schlägt dieser Artikel eine biomimetische Haifischhautzahnstruktur vor und bewertet deren Verstärkung der Wärmeübertragung und Widerstandsreduzierungseffekte bei einstufiger Strömung innerhalb eines Rohres. Die biomimetischen Haifischhautzähne bestehen aus länglichen Rippen, die entlang der Hauptströmungsrichtung hervorstehen, und stromlinienförmigen Neben-Zähnen, die in einem ineinandergreifenden, regelmäßigen Muster auf der inneren Rohroberfläche angeordnet sind. Dadurch entstehen regelmäßige Strömungsrillen, die die Wirbel in Wandnähe innerhalb der Rillen einschränken und so deren laterale Verschiebung verhindern, wodurch der durch diese laterale Verschiebung verursachte Impulsaustausch reduziert wird, was zu einer Widerstandsreduzierung führt. Darüber hinaus wirken die Zähne als effektive Wirbelgeneratoren und verstärken den konvektiven Wärmeübergang an der Wand, was zu einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten führt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hauptfaktoren, die die Widerstandsreduzierung und Effizienzsteigerung der Haifischhautzähne beeinflussen, die Zahnhöhe und die Anordnungdichte sind. Mit zunehmender Zahnhöhe und Anordnungsdichte wird der Wirbelungseffekt stärker und der Anstieg des Wärmeübergangskoeffizienten verstärkt, jedoch durchläuft die Widerstandsreduzierung einen Verlauf von Verstärkung zu Abschwächung, weswegen es eine optimale Zahnhöhe und Anordnungsdichte gibt. Unter den in diesem Artikel untersuchten Bedingungen eines Rohres mit 7 mm Außendurchmesser und einer Rohrstrom-Reynoldszahl zwischen 4500 und 9500 beträgt die optimale Zahnhöhe 0,07 mm, die optimalen Rippenabstände D₂ und P betragen 2,3 mm bzw. 0,6 mm. Im Vergleich zu einem glatten Rohr erreicht das Innengleitrohr mit Haifischhautzähnen eine Widerstandsreduzierung von etwa 3,0 % und eine Steigerung der Wärmeübertragungsfähigkeit von etwa 8,0 %.

Biomimetische Haifischhautzähne; turbulente Rohrströmung; konvektiver Wärmeübergang; Widerstandsreduzierung und Effizienzsteigerung