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 Rumpf mittig ! Flügel vorn ! Leitwerk hinten ! 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

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. Zentrifugalwirkung Zentripetalkraft Unterdruck Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ? Weil eine gekrümmte Oberfläche die Strömung krümmt !

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

13 Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung
v j v In der Realität geht die Strömung nicht um die scharfe Hinterkante herum 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 ! Auftriebs- Strahl Zirkulation erzeugt Abwärtsstrahl Randwirbel
Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben ! Auftriebs- Strahl 2 gleichberechtigte Modelle zur Berechnung des Auftriebs ! erzeugt höhere Geschwindigkeit und damit Unterdruck auf der Flügeloberseite Zirkulation erzeugt Abwärtsstrahl 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 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
Siehe Vorlesung „Berwian“ Randwirbel am Normalflügel Die Wirbelspule erzeugt einen kleinen Schub Multideckertrick oder Wirbelspulenprinzip Zwei Deutungen des Spreizflügeleffekts Randwirbel am Spreizflügel

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

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

26 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

27 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

28 ? ? Evolutions- Wettkampf

29 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

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

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

32 Winglets am Segelflugzeug

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

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

35 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

36 Flugmodell mit Multiwinglets

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

38 Flugmessungen an einem Segelflugzeug

39 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

40 Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

41 Schlaufenflügel (spiroid wing)

42 Studenten-Praktikum am Storchenflügel

43 Flugzeugabsturz

44 Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995
Birgenair-Flug 301 Absturz über dem Atlantik am 9. Februar 1996 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 Un-fähigkeit, die entsprechenden Verfah-ren zur Behebung dieses Flugzustan-des durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die War-nung für die Überschreitung der maxi-malen Geschwindigkeit zur Verwir-rung der Besatzung geführt. Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995

45 Absturz über dem Atlantik am 1. Juni 2009
Der verunglückte Airbus A Air-France-Flug 447 Absturz über dem Atlantik am 1. Juni 2009 Aus dem Untersuchungsbericht Die ausgegebene Überziehwarnung wurde von der Besatzung ignoriert. Dies kann eine Folge mehrerer Umstände sein: Die Art des akustischen Alarms wurde nicht identifiziert. Alarmsignale am Anfang des Ereig-nisses wurden als irrelevant betrachtet und nicht be-achtet. Daneben fehlten visuelle Informationen, die eine Bestätigung des bevorstehenden Strömungsabrisses nach dem Verlust der Geschwindigkeitsanzeige ermög-licht hätten. Möglicherweise verwechselten die Piloten die vorliegende Flugsituation einer zu niedrigen Ge-schwindigkeit mit der einer zu hohen Geschwindigkeit, denn die Symptome beider Zustände ähneln einander. Absturz durch Strömungsablösung

46 Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug

47 Braun-Skua in der Antarktis ? ? ?

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

49 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, erhöhte kinetische Energie !) stets dem Sog des Unterdrucks. Sonst bewegt es sich in Richtung des größten Unterdrucks zurück !

50 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

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

52 Hier ist bei einem Auftrieb erzeugenden Tragflügel die Strö-mung immer turbulent, d. h. mit Mikrowirbeln durchsetzt. Dadurch wird Energie von der Außenströmung an die Wand transportiert. Kleine Wirbelballen von außen schubsen die abgebremsten wandnahen Strömungsteilchen nach hinten. So wird eine Rückströmung der durch Reibung abgebremsten Strömungsteilchen zum Druckminimum hinausgezögert. Bei einer laminaren Grenzschichtströmung würde es ein Strö-mungsteilchen niemals von B bis zu Hinterkante schaffen! B

53 Auch hier ist die Strömung hinter B immer turbulent
Auch hier ist die Strömung hinter B immer turbulent. Doch bei vergrößertem Anstellwinkel schafft es auch die turbulente Grenzschichtströmung nicht bis zur Hinterkante. Bei A bleiben Strömungsteilchen stehen. Die Außenströmung wird von der Wand abgehoben, und es entstehen Wirbel. Die Strömung wird instabil und die Strömungsteilchen in der Grenzschicht folgen dem Druckgradienten an der Wand ( Druckminimum bei B). B A

54 Warum haben Golfbälle näpfchenartige Vertiefungen (Dimples) ?
Weil im Strömungsbereich eines Golfballs (unterkritische Re-Zahl) die Strömung nicht von selbst turbulent wird. Erst die Rauigkeiten der Dimples machen die wandnahe Grenzschichtströmung turbulent. Das erhöht zwar die Reibung, was aber durch die hinausgezögerte Ablösung der Strömung mehr als wettgemacht wird. Der Strömungswiderstand wird um 50% verringert.

55 Eine „etwas turbulente Strömung“ gibt es nicht !
Aus Spektrum der Wissenschaft, Heft 1, 2013: „Große Wirbel um die Turbulenz“. … 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 vorbei-strömende Luft, verringern dadurch den Luft-widerstand, und der Ball fliegt weiter. Was heißt das konkret: „Wirbel nichtlinear miteinander wechselwirken können“ ??? Eine „etwas turbulente Strömung“ gibt es nicht !

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

57 Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

58 Dreifache Rückstrombremsung
Braun-Skua: Ablösekontrolle

59 Der Deckfeder-Effekt

60 Rückstrombremsen an einem Flugmodell
Janosch Huser Rückstrombremsen an einem Flugmodell

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

62 Profilnase - Skua

63 Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“
Angriff - Hochziehende Skua

64 Ende