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“ Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

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

3 Flossenpropeller - Forelle

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

5 Wie entsteht der Schub einer Fischflosse
Auftrieb Nicht so … sondern so

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

7 Bei Vorwärtsbewegung Schub Auftrieb
Schräganströmung durch Bewegung nach oben Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht Bei Vorwärtsbewegung

8 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

9 Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

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

11 Ringwirbelstraße einer Qualle
Nicht ganz richtig ! Ringwirbelstraße einer Qualle

12 Strömungsbeschleunigung durch
eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

13 Wirbelbild Delfinflosse

14 Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

15 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

16 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

17 eine Wirbelfaltstruktur
Schub Wirbelringe CFD Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur

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

19 Zurück zum technischen Propeller

20 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

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

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

23 Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika
Schaumschläger Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika Ein unmöglicher Antrieb

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

25 Das Propeller-Sieb-Modell

26 ? 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

27 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

28 v v v v F Schub des Propellers: F Widerstand des Siebes:
F S P Widerstand des Siebes: v v Bedingung für stationäre Bewegung: S Bedingung: F = F = F S P Erforderliche Propellerleistung:

29 v0 vS vP F F Schub des Propellers: Widerstand des Siebes:
Bedingung: F = F = F S P Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung:

30 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

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

32 Anschauliche Interpretation des Ergebnisses
Im Raum zurückgelassene Geschwindigkeiten Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum

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

34 Nachlaufbeschleunigung: Verkehrsjet
(NASA-Studie)

35 Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ?
Strömungseintritt und Beschleunigung Helmholtzscher Wirbelsatz: Es können nur entgegengesetzt drehende Wirbelpaare existieren ! Ringwirbel Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ? Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung über einen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht

36 Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

37 Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?

38 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

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

40 Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel
Vortex Generatoren Tusche Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel

41 Lernen vom fliegenden Fisch

42 Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

43 Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs
Schub S Für

44 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 Anstatt von der „nachgiebigen“ Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug vom „härteren“ Wasser abstoßen !

45 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 !

46 Ende