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

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Präsentation zum Thema: "Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische."—  Präsentation transkript:

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

2 Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren 1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten 2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten c w → Min  → Max

3 Flossenpropeller - Forelle

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

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

6 Vortrieb durch Auftrieb W A v Auftriebstheorie von Heinrich Hertel v v H. Hertel (1901–1982)

7 Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Hertelschen Auftriebstheorie Delfin schwimmt nach oben Anstellwinkel

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

9 Auftrieb Schub Bei Vorwärtsbewegung Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht Schräganströmung durch Bewegung nach oben (Hier Aufwärtsbewegung !)

10 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 (Flexible Flosse, Ansicht von oben)

11 Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

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

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

14 Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

15 Wirbelbild Delfinflosse Wirbelspule ?

16 Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

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

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

19 Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur Schub Wirbelringe CFD

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

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

22 Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Tunfischs ? Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Nasenband an der Flossenvorderkante des Buckelwals ? Zackenband Nasenband

23 CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenband   

24 Flossenboote

25 Zurück zum technischen Propeller

26 Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers Antriebsleistung: Vortriebsleistung: Vortriebswirkungsgrad: S S Der Propeller bewegt sich mit v 0 durch die Luft Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung Strömungspfropfen Möglichst klein

27 Muskelkraftflugzeug Hallenflugmodell Große Luftschraube → kleine Luftbeschleunigung → hoher Wirkungsgrad

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

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

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

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

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

33 Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel a b Für c w = 0,5 v v v v a b L L S 2 S           30,1  a b L L w w c c a b L L    Sieb v v v S v S v P v 0 0 v 0

34 Schub des Propellers: Widerstand des Siebes: Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung: vv S v P v 0 0 Bedingung: F = F = F S P F S F P Impulssatz der Strömungslehre

35 Schub des Propellers: Widerstand des Siebes: Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung: v0v0 vSvS vPvP F S F P Bedingung: F = F = F S P Impulssatz der Strömungslehre

36 Leistungsverhältnis: 1,01, ,20 0,61,43 0,41,68 0, ,41 S 0 N H v v L L

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

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

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

40 Nachlaufbeschleunigung: Verkehrsjet (NASA-Studie)

41 Vision: Flugzeug mit Integralantrieb

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

43 Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle nicht so

44 Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen sondern so

45 Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?

46 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

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

48 Grenzschicht- Sammlung in einem Wirbel Vortex Generatoren Tusche Randwirbel

49 Lernen vom fliegenden Fisch

50 Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

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

52 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 ! schlecht

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

54 „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 Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden ! 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.

56 Ende

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