PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“ Widerstandsverminderung in der Natur Wie schnelle Wassertiere Energie sparen

2 1. Grenzschicht-Laminarhaltung durch Tunfisch- / Pinguin-Form
Fünf Methoden der Widerstandsverminderung 1. Grenzschicht-Laminarhaltung durch Tunfisch- / Pinguin-Form 2. Laminare Grenzschichtwellendämpfung durch Delfinhaut 3. Turbulenzdämpfung durch polymeren Barrakuda-Schleim 4. Glättung wandnaher Schlingerbewegungen durch Haifisch-Rillen 5. Mikroblasen-Einhüllung durch Luftejektion aus dem Pinguin-Kleid

3 Widerstand in Reinstform a) Druck- oder Formwiderstand
Wirbel !!! nicht Turbulenz a) Druck- oder Formwiderstand Durch Stromlinienform reduzierbar b) Reibungswiderstand Das Problem ist der Reibungswiderstand

4 Theorie – Reibungswiderstand
Für den Reibungswiderstand gelten die Formeln: n wasser = 1·10-6 m2/s n luft = 15·10-6 m2/s Kinematische Zähigkeit Theorie – Reibungswiderstand

5 Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand
1 2 Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand

6 Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten ebenen Platte
U-Punkt

7 Entdeckung von Osborne Reynolds (1883)
Rohrströmung laminar turbulent Kinematische Viskosität:

8 Phänomen: Umschlag laminar/turbulent
6 ·d TS-Wellen Tollmien-Schlichting-Wellen Grenzschichtdicke d Instabilitätspunkt Re = 1,1·105 Umschlagpunkt Re = 3·106 Schwingendes Band (Störung) REYNOLDSzahl: Hitzdrahtanemometer Phänomen: Umschlag laminar/turbulent

9 1. Laminarhaltung durch Beschleunigung der Grenzschicht
Widerstandsverminderung in der Natur 1. Laminarhaltung durch Beschleunigung der Grenzschicht

10 Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend
Die Theorie zeigt; Ein bauchiges Geschwin- digkeitsprofil stabilisiert die laminare Grenzschicht Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend

11 Tunfisch-Form

12 Pinguin-Form

13 Rumpfkörper in Biologie und Technik
Beschleunigte Strömung Tunfisch Geschwindigkeitsverteilung Pinguin Laminarspindel Theorie Delfin Rumpfkörper in Biologie und Technik

14 Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper
Facht Schwingung an Dämpft Schwingung Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper T. Lutz, Stuttgart

15 2. Laminarhaltung durch Dämpfung der TS-Wellen
Widerstandsverminderung in der Natur 2. Laminarhaltung durch Dämpfung der TS-Wellen

16 Delfin-Haut

17 Graysches Paradoxon: Das Graysche Paradoxon ist ein Strömungseffekt, der bei schnellen Walen, etwa den Delfinen auftritt. Der Körper vor allem dieser Arten verfügt in der Realität über weit bessere Strömungseigenschaften, als diese bei einem technischen Körper mit der gleichen Form der Fall ist. Die Namensgebung geht auf den britischen Zoologen James Gray zurück, er hatte festgestellt, die Muskulatur dieser Meerestiere sei nicht kraftvoll genug, um die beobachteten Schwimmgeschwindig-keiten von zehn Meter pro Sekunde gegen den Widerstand des Wassers aufrecht zu erhalten. Das Graysche Paradoxon gilt heute nicht mehr. Steht ein Delfin aufrecht auf seiner Flosse über der Wasseroberfläche, ist die Kraft mit bis zu 1800 Newton sogar bis zu 20 mal höher, als lange angenommen.

18 M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut.
Literatur: M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Jahrbuch der WGLR Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970.

19 Aufbau einer Delfinhaut (nach M. O. KRAMER)
a: 0,2 mm glatter Film b: 0,5 mm gummiartig c: 0,5 mm f lüssig / filzig d: ledrig Interpretation der Hautschichten: Film für glatte Oberfläche b) Elastische Membran c) Flüssigkeits-Dämpfung d) Schutzhaut Aufbau einer Delfinhaut (nach M. O. KRAMER)

20 Technische Nachbildung der Delfinhaut
M. O. Kramer Technische Nachbildung der Delfinhaut

21 Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut
Bester Messwert von M. O. KRAMER für eine Federsteifigkeit der Haut von 220 N/cm2 c f = 0,003 Re = 1,5·107 Kramer-Punkt Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut

22 Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt
Pendel Viskoelastische Flüssigkeit Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt

23 Versuche zum Delfinhauteffekt
am Institut für Luft- und Raumfahrt an der TU Berlin (Prof. W. Nitsche) Bei den Experimenten soll die Verzögerung des Umschlages durch Dämpfung der Tollmien-Schlichting-Instabilitäten (TS-Wellen) mittels aktiv geregelter Gegenwellen erreicht werden. Die natürlichen Störungen werden dabei durch einen Referenzsensor erfasst und stromab mit einer daraus berechneten Gegenwelle überlagert, so dass am Fehlersensor hinter dem Aktuator nur noch minimale Störungen verbleiben.

24 3. Turbulenzdämpfung durch Fädchenmoleküle (Fischschleim)
Widerstandsverminderung in der Natur 3. Turbulenzdämpfung durch Fädchenmoleküle (Fischschleim)

25 Fischleim zur Wirbeldämpfung

26 W. M. Rosen and N. E. Cornford (1971)
Reibungsmessungen in einer turbulenten Rohrströmung mit Fischschleim angereichertem Wasser W. M. Rosen and N. E. Cornford (1971) 11,5 ppm Festsubstanz Barrakudaschleim ergibt 62,5 % Widerstandsverminderung

27 Fallversuche zum Fischschleimeffekt

28 a b c Versuch mit Polyäthylenoxid (künstlicher „Fischschleim“)
a) Farbwasser in klares Wasser. Injektion gemäß linkem Versuchsaufbau b) Farbwasser mit 20 ppm Schleim in klares Wasser mit 20 ppm Schleim c) Wie b, aber Schleim 5 s mit U/min in einem Küchenmixer gerührt

29 Turbulenzdämpfung durch fischschleimähnliche Substanz in einer Kanalströmung (H = Kanalhöhe)

30 Einsatz von Polyox bei der New Yorker Feuerwehr
Mit Polyox Ohne Polyox Einsatz von Polyox bei der New Yorker Feuerwehr

31 Schwimmbecken: 25 m lang, 10 m breit, 2,5 m tief
3125 g Polyox = 5 ppm

32 Additivtechnik Adhäsionstechnik
Der Fisch sondert laufend Schleim ab (vielleicht nur beim Jagen oder auf der Flucht) und hüllt sich so in eine Additiv-Wolke ein Adhäsionstechnik Die Fadenmoleküle des Fischschleims haften an der Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes Molekülfell

33 4. Turbulente Schlingerdämpfung durch Längsrillen (Riblets)
Widerstandsverminderung in der Natur 4. Turbulente Schlingerdämpfung durch Längsrillen (Riblets)

34 Haie haben Längsrillen
Wolf Ernst Reif Schnell schwimmende Haie haben Längsrillen auf ihren Schuppen Hai-Schuppen

35 Aufbau der Schuppen eines Hais

36 Schuppen großer weißer Hai
Schuppen-Replikat Hammerhai (Dietrich Bechert)

37 S = 3,5 ·d * ? BECHERTs Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal

38 Die laminare Unterschicht
Grenzschicht-Geschwindigkeitsprofil turbulent laminar Die laminare Unterschicht

39 d * = Dicke der laminaren Unterschicht t w = lokale Wandschubspannung Auslegung der Rillenfolie für ein Surfbrett Gleitgeschwindigkeit v = 5 m/s, Lauflänge x = 1 m, n wasser = 1·10-6 m2/s d * = 0,028 mm S = 3,5 ·d *= 0,10 mm

40 Die „Stars & Stripes“ gewinnt den Americas Cup 1987 mit einer Haifisch-Rillen-Oberfläche

41 Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

42 Fastskin-Schwimmanzug der Firma

43 Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

44 Riblets für Turbomaschinenschaufeln
Laser gefertigt (Laser-Zentrum Hannover) Lackabdruck (Firma Holotools GmbH)

45 Rippenstruktur der Federn
eines Kolibris Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins

46 Streifenstruktur (= Schlingern) der Strömung während eines Wüstensturms
Dämpfung der Schlingerbewegung durch Rillen (Riblets)

47 Längswirbel Bedingung für die Schlingerdämpfung der Wirbel
Längswirbelabstand Bedingung für die Schlingerdämpfung der Wirbel Abstand der Rillentäler  Abstand der Längswirbel

48 Führung der Längswirbel in den Rillentälern
CFD-Rechnung Computational Fluid Dynamics Führung der Längswirbel in den Rillentälern

49 5. Schwimmen in einem Schleier von Mikroblasen
Widerstandsverminderung in der Natur 5. Schwimmen in einem Schleier von Mikroblasen

50 Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin

51 Schiffsbug mit ausgestoßenen Luftblasen

52 Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser
w = Frequenz der strö-menden Luftbläschen m = Zähigkeit des Wassers w = Wandschub- spannung am Messort Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser

53 Ende