PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“ Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel

2 Dädalus und Ikarus Vorbild „Vogel“ Kein Leitwerk

3 Otto Lilienthal ( ) Otto Lilienthal am 16. August 1894: Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges führten zum ersten erfolgreichen Flug des Menschen Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden

4 Lösung der biologischen Evolution
Seeschwalbe Seeschwalbe Foto: Ingo Rechenberg Rumpf mittig ! Flügel vorn ! Leitwerk hinten ! Foto: Ingo Rechenberg Dornier Do 328 Lösung der biologischen Evolution Lösung der Ingenieure nach über 100 Jahren Flugzeugentwicklung

5 Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker
Denn: Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung Das Flugzeug ist noch immer Gegenstand bionischer Forschung

6 ? Energieersparnis Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

7 Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

8 Randwirbel an einer F 18 Hornet
Kondensierte Feuchtigkeit in den Unterdruck-Kernen der Randwirbel Randwirbel an einer F 18 Hornet

9 Wie entsteht Auftrieb an einem Tragflügelprofil ?

10 1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein.
2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung). Dagegen spricht: Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb, obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !

11 Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?
Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf der Profiloberseite die notwendige Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten Bewegungsbahn zu halten. Das Strömungsteilchen möchte sich nach dem Trägheitsgesetz geradlinig weiterbewegen Eine Rückwärts-Erklärung Zentripetalkraft Aber es folgt der gekrümmten Profiloberfläche Unterdruck Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?

12 Auch bei einer angestellten ebene Platte sind die Stromlinien gekrümmt und sie erzeugt deshalb Auftrieb

13 Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung
Superponierbarkeit von Potentialströmungen ! A r v j v Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 ! Mathematische Strömung Potentialwirbel Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb ! Geschwindigkeitsfeld Kutta Joukowski Formel von Kutta/Joukowski Flügelspannweite Zirkulation

14 Zirkulation Anfahrwirbel Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel

15 G Warum bildet sich ein Zirkulationswirbel ?
Der abschwimmende Anfahrwirbel kann allein nicht existieren. Sein Drehgeschwindigkeitsfeld würde einen unendlichen Energieinhalt besitzen. Es muss ein gleich starker Gegenwirbel entstehen, damit sich die Geschwindigkeiten im Unendlichen auslöschen. Der Gegenwirbel ist der Zirkulationswirbel G . G

16 ! Randwirbel erzeugt Auftriebsstrahl Auftriebs- Strahl
Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben ! Auftriebs- Strahl ! erzeugt Auftriebsstrahl Randwirbel

17 Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen
Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand. Nach Ludwig Prandtl Ludwig Prandtl ( ) Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.

18 v Längsauftrennung des Flügels

19 Der Doppeldecker-Trick halbiert den Randwiderstand
Vorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel

20 20-Decker von Horatio F. Philipps (1904)
Horatio Frederick Phillips 20-Decker von Horatio F. Philipps (1904)

21 Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand

22 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

23 Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule
Nur am Flügelende, wo es notwendig ist, wird der Multideckertrick verwendet Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule Siehe Vorlesung „Berwian“ Randwirbel am Normalflügel Multideckertrick oder Wirbelspulenprinzip Zwei Deutungen des Spreizflügeleffekts Randwirbel am Spreizflügel

24 Studenten-Praktikum am Storchenflügel

25 Nachkommen realisieren
ca- cw- Messung Flexible Bleistreifen Neue Generation Eltern eingeben Nachkommen bewerten Nachevolution im Windkanal (Neobionik)

26 Evolution eines Spreizflügels im Windkanal
Generation Max 3 6 9 15 12 18 21 24 Evolution eines Spreizflügels im Windkanal 27

27 Spreizflügel versus Normalflügel
Diplomarbeit: Michael Stache Spreizflügel versus Normalflügel 0216 , min 3 2 = ÷ ø ö ç è æ a w c 0188 , min 3 2 = ÷ ø ö ç è æ a w c

28 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

29 ? ? Evolutions- Wettkampf

30 Formel für die Sinkgeschwindigkeit
Daten für Bussard Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F = 0,2 m2 g = 9,81 m/s2 r = 1,1 kg/m3 Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel ohne Spreizung Für den Vogel mit Spreizung

31 Evolutions- Wettkampf
13 min 33 sec 14 min 30 sec Evolutions- Wettkampf

32 Vorstufe des Spreizflügels des Vogels
Boeing C-17 A Globemaster III Winglets Vorstufe des Spreizflügels des Vogels

33 Winglets am Segelflugzeug

34 Auf dem Weg zum Vogelflügel Doppelwinglets MD 11 (Boeing)
Dreifach-Winglets (Antonov)

35 Auf dem Weg zum Vogelflügel
Doppelwinglets: Arava IAI 202 (1977)

36 Auf dem Weg zum Vogelflügel
Winggrids a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero b) "Winggrid" eines Kondors c) Motorsegler Stemme S10 Lang gezogene Wirbelspule Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der Wirbelzöpfe d) Aus dem Internet

37 Flugmodell mit Multiwinglets

38 Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug
Foto: Michael Stache Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug

39 Flugmessungen an einem Segelflugzeug

40 Vom gespreizten Vogelflügel zum Schlaufenflügel
Die abnehmende Flügeltiefe muss man sich in kleinen Stufen realisiert vorstellen Vom gespreizten Flügelunterseite wird zur Oberseite (Möbius-Band) Vogelflügel Patent von Louis B. Gratzer zum Schlaufenflügel

41 Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

42 Schlaufenflügel (spiroid wing)

43 Flugzeugabsturz

44 Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995
Birgenair-Flug 301 – Absturz am 9. Februar 1996 bei Puerto Plata in den Atlantik Absturz durch Strömungsablösung Aus dem Untersuchungsbericht Die wahrscheinliche Unglücksursache lag in dem Unvermögen der Flugbe-satzung, die Aktivierung des Stick Shaker * als unmittelbare Warnung für den Übergang in den überzogenen Flugzustand zu erkennen und die Unfähigkeit, die entsprechenden Verfahren zur Behebung dieses Flugzustandes durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die Warnung für die Überschreitung der maximalen Geschwindigkeit zur Verwirrung der Besatzung geführt. Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995 * Stick Shaker = Vibrieren des Steuerknüppels

45 ? Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug c c Ablösung
Auftriebsbeiwert Bereich Langsamflug Anstellwinkel Ablösung c ? a Auftriebbeiwert Anstellwinkel Bereich Langsamflug Birgenair-Flug 301 Air-France-Flug 447 Air-Asia-Flug QZ8501 ? Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug

46 Braun-Skua in der Antarktis ? ? ?

47 - Druckverteilung an einem Tragflügelprofil
Wie kommt es zu einer Strömungsablösung ? Höchster Unterdruck (Sog) - Druckverteilung an einem Tragflügelprofil

48 Wichtig !!!!!!! B A Entstehung einer Ablösung
Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durch Reibung abgebremst. Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog ankämpfen muss, kommt am Punkt A zum Stillstand. A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt. Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö-mungsteilchen (Bernoulli !) dem Sog des Unterdrucks.

49 Hier ist bei einem Auftrieb erzeugenden Tragflügel die Strömung immer turbulent, d. h. mit Mikrowirbeln durchsetzt. Dadurch wird Energie von der Außenströmung an die Wand transportiert. Bei einer laminare Grenzschichtströmung würde es ein Strömungsteilchen niemals von B nach A schaffen ! B A

50 Das ist Unsinn ! - Richtig ist:
… erschwerend kommt hinzu, dass Wirbel nichtlinear miteinander wechselwirken können. Das hat mitunter paradoxe Effekte. So erzeugt eine etwas turbulente Strömung mitunter sogar weniger Widerstand als eine glatte, laminare. Genau deswegen haben manche Oberflächen Dellen - Golfbälle beispielsweise. Die kleinen Vertiefungen verwirbeln geringfügig die vorbeiströmende Luft, verringern dadurch den Luftwiderstand, und der Ball fliegt weiter. Aus Spektrum der Wissenschaft, Heft 1, 2013: „Große Wirbel um die Turbulenz“. Das ist Unsinn ! - Richtig ist: In einer mit Mikrowirbeln durchsetzten wandnahen Strömungsschicht erhalten durch Reibung abge-bremste Strömungsteilchen, die sich stroman zum Druckminimum bewegen würden, stromab gerich-tete Impulsstöße. Die Ablösung der Strömung wird hinausgezögert.

51 Zusammenbruch des Auftriebs
Die wandnahen Strömungsteilchen (Grenzschichtteilchen) folgen dem Druckgradienten und strömen zur Stelle des größten Unterdrucks! Zusammenbruch des Auftriebs Wanderung der Ablösung zum Druckminimum

52 ! Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder
Deckfeder = Rückschlagventil ! Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder

53 Foto: Ingo Rechenberg Braun-Skua Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt. Rückstromtaschen ? ? ? Foto: Ingo Rechenberg

54 Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

55 Dreifache Rückstrombremsung
Foto: Ingo Rechenberg Dreifache Rückstrombremsung Braun-Skua: Ablösekontrolle

56 Der Deckfeder-Effekt

57 Rückstrombremsen an einem Flugmodell
Janosch Huser Rückstrombremsen an einem Flugmodell

58 Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche (Alulae)“
Foto: Ingo Rechenberg Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche (Alulae)“ These: Randwirbel, der als Grenzschichtzaun fungiert Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?

59 Foto: Ingo Rechenberg Profilnase - Skua

60 Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“
Foto: Ingo Rechenberg Angriff - Hochziehende Skua

61 Aber wie es wirklich funktioniert bleibt unklar !
Flauschige und poröse Oberfläche Vorderkantenkamm Geräuschdämpfung Eulenflügel Strömung Turbulenz Aber wie es wirklich funktioniert bleibt unklar ! Kantengeräusch Bionischer Bio-Ventilator ??? Hintererkantenfransung

62 Ende