PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Otto Lilienthal am 16. August 1894:
Sein Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden

3 Lösung der biologischen Evolution
Seeschwalbe Rumpf ! Flügel vorn ! Leitwerk hinten ! Foto: Ingo Rechenberg Foto: Ingo Rechenberg Lösung der biologischen Evolution Lösung der Ingenieure nach 100 Jahren Flugzeugentwicklung

4 Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker
Das Flugzeug ist noch immer Gegenstand bionischer Forschung

5 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

6 Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

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8 Wie entsteht Auftrieb an einem Tragflügelprofil ?

9 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 !

10 Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?
Das Strömungsteilchen wird durch Unterdruck auf der Profiloberseite am zentrifugalen Wegfliegen gehindert. Unterdruck Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?

11 Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung
v j v Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 ! Mathematische Strömung Potentialwirbel Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb ! Geschwindigkeitsfeld Formel von Kutta/Joukowsky Flügelspannweite Zirkulation

12 Zirkulation Anfahrwirbel Anfahrwirbel und gebundener Wirbel (Zirkulation) an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel

13 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

14 Auftriebs- Strahl ! Randwirbel = Auftriebsstrahl

15 Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand.
Nach Ludwig Prandtl Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.

16 Längsauftrennung des Flügels

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

18 Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand

19 Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule
Randwirbel am Normalflügel Doppeldeckertrick oder Wirbelspulenprinzip Zwei Deutungen des Spreizflügeleffekts Randwirbel am Spreizflügel

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

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

22 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

23 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

24 ? ? Evolutions- Wettkampf

25 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

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

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

28 Flugmessungen an einem Segelflugzeug

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

30 Winglets am Segelflugzeug

31 Vom gespreizten Vogelflügel Louis B. Gratzer zum Schlaufenflügel

32 Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

33 Doppelwinglet: Auf dem Weg zum Vogelflügel

34 Multidecker von Horatio F. Philipps (1904)

35 Studenten-Praktikum am Storchenflügel

36 Pilotenfehler löste Birgenair-Unglück aus
Berlin (dpa). Ein Pilotenfehler soll den Ab-sturz der türkischen Birgenair-Maschine am 6. Februar vor der Dominikanischen Repu-blik ausgelöst haben. Wie der Fernsehsender Sat.1 am Sonntag mitteilte, komme der ab-schließende Unfallbericht der dominikani-schen Luftaufsichtsbehörde zu dem Schluss, dass die Piloten auf zwei unterschiedlichen Warnungen nach dem Start nicht entspre-chend reagiert hätten. Eine falsche Ge-schwindigkeitsanzeige soll sie verwirrt ha-ben. Zwar seien die Piloten genügend aus-gebildet gewesen. Aber sie hätten nicht über ein „ausreichendes Training“ verfügt. Absturz durch Strömungsablösung

37 Forschungsziel für ein absturzsicheres Flugzeug

38 Braun-Skua in der Antarktis ? ? ?

39 Entstehung einer Ablösung
Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durch Reibung abgebremst. Zusätzlich wird es vom Unterdruck vorn an der Profiloberseite angesaugt. Das Strömungsteilchen kommt am Punkt A zum Still- stand. Die Stelle 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. Ist die wandnahe Strömung mit klei-nen Wirbeln durchsetzt (Turbulenz), kann durch den Eintrag energiereicher Strömungsteil-chen aus der wandfernen Region die Ablösung hinausgezögert werden. Wird die Anstellung des Flügels weiter erhöht, tritt auch bei turbulenter Grenzschichtströmung Ablösung auf.

40 Wanderung der Ablösung
zum Druckminimum

41 ! Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder

42 Braun-Skua Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt. Rückstromtaschen ? ? ?

43 Dreifache Rückstrombremsung
Braun-Skua: Ablösekontrolle

44 Der Deckfeder-Effekt

45 Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

46 Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?

47 Profilnase - Skua

48 Angriff - Hochziehende Skua
Nasenklappen Angriff - Hochziehende Skua

49 Ende