PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“

Präsentation zum Thema: "PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“"—  Präsentation transkript:

1 PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische

2 1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten
Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren 1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten cw → Min 2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten h → Max (100%)

3 Der biologische Propeller

4 Flossenpropeller - Forelle

5 Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel
Startbeschleunigung 5g Startstellung 2,6 m/s 0,15 s Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel

6 Wie entsteht der Schub einer Fischflosse
Auftrieb Nicht so … 3 Theorien sondern so

7 Schuberzeugung einer Fischflosse
Delfin schwimmt nach oben auf Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Auftriebtheorie Anstellwinkel

8 Schuberzeugung einer Fischflosse
Delfin schwimmt nach oben auf Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Hertelschen Auftriebstheorie

9 v v v A W Vortrieb durch Auftrieb Auftriebstheorie von Heinrich Hertel

10 Bei Vorwärtsbewegung Schub Auftrieb (Hier Aufwärtsbewegung !)
Der Fisch möge senkrecht nach oben schwimmen Schub Auftrieb Schräganströmung durch Bewegung nach oben Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht Bei Vorwärtsbewegung (Hier Aufwärtsbewegung !)

11 Wirbeltheorie von W. Liebe
Umströmung der Flossenhinterkante 1 Ausbildung eines Hinterkantenwirbels 2 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel 3 Wolfgang Liebe Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert 4 Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 5 Wirbeltheorie von W. Liebe Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 6 Flexible Flosse, Ansicht von oben

12 Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

13 Schub erzeugende Wirbelsysteme
Wirbel- Ringe Schub erzeugende Wirbelsysteme Wirbel- Spule Wirbel- Faltblatt

14 Ringwirbelstraße einer Qualle
Nicht ganz richtig ! Siehe weiter unten ! Ringwirbelstraße einer Qualle

15 Strömungsbeschleunigung durch
eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

16 Wirbelbild Delfinflosse
Sieht aus wie eine Wirbelspule, aber zwischen eine Wirbelspule und einem Wirbelfaltblatt besteht kein funktioneller Unterschied

17 Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

18 South Shetlands, Antarktis
Beschleunigungssensoren Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen Kabel Pinguin im Schwimmkanal King George Island South Shetlands, Antarktis

19 Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch
1 Pinguin im Schwimmkanal Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch 2 Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet Wirbelring 3 Bildung eines Schub erzeugenden Wirbelrings

20 eine Wirbelfaltstruktur
Schub Wirbelringe CFD Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur

21 ? Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die Fahne an der Flossenspitze des Hais ?

22 Wirbelring im Wirbelring ?
Wozu bleibt ungeklärt Nature 430, 850 (19 August 2004) C. D. Wilga & G. V. Lauder Biomechanics:  Hydrodynamic function of the shark's tail

23 Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Thunfischs ?
Nasenbuckel Welchen (strömungstechnischen) Zweck haben die Nasenbuckel an der Flossenvorderkante des Buckelwals ?

24 Pressemeldung: Buckelwal macht Hubschrauber wendiger
DLR-Hubschrauber Bo-105 a Buckelwal Pressemeldung: Buckelwal macht Hubschrauber wendiger CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenbuckel

25 Flossenboote Ist die Flosse besser als ein Propeller ?

26 Zurück zum technischen Propeller

27 Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers
Strömungspfropfen Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung S S Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft Vortriebsleistung: Antriebsleistung: Vortriebswirkungsgrad: Möglichst klein Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers

28 → kleine Luftbeschleunigung
Muskelkraftflugzeug Hallenflugmodell Große Luftschraube → kleine Luftbeschleunigung → hoher Wirkungsgrad

29 Die Caravelle h sehr klein Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit
Erstes strahlgetriebenes Kurz- und Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960 – 1980)

30 Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika
Strahlantrieb ein Fährschiffes Schaumschläger Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika Ein unmöglicher Antrieb

31 Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand
Der Trick der Natur die Strömung an der richtigen Stelle anzutreiben Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand

32 Das Propeller-Sieb-Modell
Modell für gleichmäßige Strömungsabbremsung Sieb Das Propeller-Sieb-Modell

33 ? a b v v Das Propeller-Sieb-Modell
Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden Die Euro-Frage: Ist aus energetischer Sicht: „a“ besser als „b“ „b“ besser als „a“ „a“ so gut wie „b“ Sieb ? Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel

34 a v v v v c b 1 2 L L 1 L - + = 1 30 , 1 = L v v v + - = + v v v v
Sieb a v 2 v v v æ ö 1 + 2 - ç S ÷ S L v è ø b = v L + a 1 S v w c a b L - + = 1 30 , 1 = a b L Für cw = 0,5 v v b P Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel v v S

35 v v v v F Schub des Propellers: F Widerstand des Siebes:
Impulssatz der Strömungslehre v v F S P Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v v Bedingung für stationäre Bewegung: S Bedingung: F = F = F S P Erforderliche Propellerleistung:

36 v0 vS vP F F Schub des Propellers: Widerstand des Siebes:
Impulssatz der Strömungslehre Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v0 vS vP Bedingung: F = F = F S P Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung:

37 Leistungsverhältnis:
1,0 1,00 0.8 1,20 0,6 1,43 0,4 1,68 0,2 2.00 2,41 v L L S N H Das geht nicht Das geht Henrich Focke gegen Heinrich Hertel

38 Propeller-Sieb-Modell
Nebeneinander und hintereinander Test im Windkanal hat die Theorie bestätigt

39 Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum
Propeller Strahl Verlustenergie Sieb Nachlauf Keine bewegte Luft Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum

40 Integrale Antriebe in der Natur
Vogel Fisch Paramecium Aal Qualle Manta

41 Vision: Flugzeug mit Integralantrieb

42 Nachlaufbeschleunigung
(NASA-Studie)

43 Distributed Propulsion

44 Erfinder: Yee-Chun Lee
Grenzschicht = Abgebremste Strömungsteilchen werden wieder beschleunigt US Patent: US B2 Grenzschichtantrieb Luftschiff Veröffentlichungsdatum 16 Okt. 2012 Erfinder: Yee-Chun Lee

45 Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?

46 1 2 3 4 5 6 Wirbeltheorie von W. Liebe
Umströmung der Flossenhinterkante 1 Ausbildung eines Hinterkantenwirbels 2 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel 3 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert 4 Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 5 Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 6 Wirbeltheorie von W. Liebe

47 Saugwirkung eines Wirbels
Unterdruck Zentrifugiertes Strömungsteilchen Saugwirkung eines Wirbels Gebremstes Strömungsteilchen Reibfläche Durch fehlende Zentrifugalwirkung wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt

48 Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel
Vortex Generatoren Tusche Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel Angestellter Tragflügel Randwirbel

49 Lernen vom fliegenden Fisch

50 Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

51 Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs
Schub S Für Vortriebswirkungsgrad = 1 Zur abgeleiteten Formel

52 schlecht Prototyp "Seafalcon": Ende Oktober 2006 wurde das sogenannte Bodeneffekt-Fahrzeug erstmals zu Wasser gelassen. Mit der Technik kann das Gefährt übers Wasser fliegen. Anstatt von der „nachgiebigen“ Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug besser vom „härteren“ Wasser abstoßen !

53 Vorteile eines Bodeneffektflugzeugs
1. Größerer Auftrieb eines Flügels in Bodennähe 2. Kleinerer Widerstand der Randwirbel durch einen Spiegelungseffekt

54 Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing
„Pelican“ Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing Spannweite 152 m, Länge 109 m Reichweite km bei einer Flughöhe von 6 m

55 Der Schienenzepp von Franz Kruckenberg
fuhr am 21. Juni 1931 in 98 Minuten von Hamburg-Bergedorf nach Berlin Spandau und hielt 24 Jahre den Geschwindigkeits-rekord von 230 km/h. Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden !

56 Das Triebwerk „Qualle“

57 Der pulsierende Quallenschlag erzeugt Ringwirbel

58 Die Strömung im Inneren der Ringwirbel wird beschleunigt !
So könnte es hinter einer Qualle zwar aussehen. Die Drehfelder der Wirbelele-mente löschen sich in  gegenseitig aus. Die Strömung im Inneren der Ringwirbel wird beschleunigt ! aber so ist es nicht, Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

59 Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ?
sondern so Durch den pulsierend zuckenden Quallenschlag bilden sich zwei dicht beein-ander liegende Ringwirbel, die sich gegenläufig drehen ! Strömungseintritt und Beschleunigung Strömung tritt seitwärts ein Ringwirbel Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ? Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung über einen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht

60 So funktioniert also die Qualle
Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

61 Ende www.bionik.tu-berlin.de
Ich wünsche Ihnen einen guten Flug in das Jahr 2015 Ende

62 v Schub des Propellers: F Widerstand des Siebes:
Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung: v S P Bedingung: F = F = F F Impulssatz der Strömungslehre