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

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

2 Fünf Methoden der Widerstandsverminderung 1. Grenzschicht-Laminarhaltung durch Thunfisch- / 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 a) Druck- oder Formwiderstand b) Reibungswiderstand Widerstand in Reinstform Durch Stromlinienform reduzierbar Das Problem ist der Reibungswiderstand Wirbel !!! nicht Turbulenz

4 Für den Reibungswiderstand gelten die Formeln: Theorie – Reibungswiderstand Kinematische Zähigkeit  wasser = 1·10 -6 m 2 /s  luft = 15·10 -6 m 2 /s

5 Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand 1 2

6 U-Punkt Reibungsbeiwert c f an einer längs angeströmten ebenen Platte Log-Skala !

7 U-Punkt Reibungsbeiwert c f an einer längs angeströmten ebenen Platte Log-Skala !

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

9 Instabilitätspunkt Re = 1,1·10 5 Umschlagpunkt Re = 3·10 6 Schwingendes Band (Störung) Hitzdrahtanemometer Phänomen: Umschlag laminar/turbulent R EYNOLDS zahl: TS-Wellen Tollmien-Schlichting-Wellen 6 ·6 · Grenzschichtdicke 

10 Kleine Reibung Große Reibung laminar turbulent

11 Widerstandsverminderung in der Natur 1. L aminarhaltung durch Beschleunigung der Grenzschicht

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

13 Thunfisch-Form

14 Pinguin-Form

15 Thunfisch Pinguin Delfin Rumpfkörper in Biologie und Technik Laminarspindel Theorie Geschwindigkeitsverteilung Beschleunigte Strömung

16 Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper T. Lutz, Stuttgart Facht Schwingung an Dämpft Schwingung ~v~v ~v~v 2

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

18 Delfin-Haut

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

20 Delfine überholen Ozeandampfer

21 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.

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

23 Technische Nachbildung der Delfinhaut M. O. Kramer

24 Kramer-Punkt Bester Messwert von M. O. K RAMER für eine Federsteifigkeit der Haut von 220 N/cm 2 c f = 0,003 Re = 1,5·10 7 Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut

25 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. Aktiv nachgiebige Wand

26 Ergebnis: Messung der TS-Welle und aktive Erzeugung einer gegenläufigen Wandwelle am Aktuator-Feld dämpft die TS-Welle! Aktive Erzeugung einer Gegenwelle? Siehe Antilärm-Kopfhörer

27 Wirkprinzip einer anisotropen Wand Isotrope nachgiebige Wand Isotrope Wand: Form der Nachgiebigkeit unabhängig von der Strömungsrichtung Anisotrope Wand: Form der Nachgiebigkeit ändert sich mit der Strömungsrichtung Die anisotrope Nachgiebigkeit der Wand soll eine bessere passive Dämpfung von TS- Wellen ermöglichen Passiv nachgiebige Wand transversal longitudinal Schnitt durch eine Delfinhaut (Foto V. Pavlov)

28 Zum Delfinhaut-Effekt Pendel Viskoelastische Flüssigkeit Gedankenexperiment zur passiven Schwingungsdämpfung

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

30 Fischleim zur Wirbeldämpfung

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

32 Fallversuche zum Fischschleimeffekt

33 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 a b c Versuch mit Polyäthylenoxid (künstlicher „Fischschleim“)

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

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

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

37 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 Die Fadenmoleküle des Fischschleims haften an der Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes Molekülfell

38 Hypothese des Energietransfers Die Energie, die den Molekülfaden zerreißt, wird von der Turbulenzintensität abgezogen

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

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

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

42 B ECHERT s Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal S = 3,5 ·   * ?

43 Die laminare Unterschicht Grenzschicht- Geschwindigkeitsprofil laminar turbulent

44 = lokale Wandschubspannung ww = Dicke der laminaren Unterschicht ** Auslegung der Rillenfolie für ein Surfbrett Gleitgeschwindigkeit v = 5 m/s,   * = 0,028 mm S = 3,5 ·   * = 0,10 mm Lauflänge x = 1 m,  wasser = 1·10 -6 m 2 /s

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

46 Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

47 Fastskin-Schwimmanzug der Firma

48 Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

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

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

51 Die Streifen sind Längswirbel Längswirbelabstand Bedingung für die Schlingerdämpfung der Wirbel Abstand der Rillentäler  Abstand der Längswirbel

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

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

54 Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin

55 Anwendung des Pinguin-Effekts

56 Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser  = Frequenz der strö- menden Luftbläschen  = Zähigkeit des Wassers  w = Wandschub- spannung am Messort

57

58 Mit dem bionischen Bootslack ausgestattete Schiffe könnten dann in Zukunft in einer Hülle aus Luft durch das Wasser gleiten und so den Schiffsbau revolutionieren Salvinia -Effect Aus einer Pressemeldung Das Salvinia-Blatt umgibt sich mit einer dauerhaft haltenden Lufthülle ® Zum Salvinia-Effekt

59 Zur (scheinbar) guten Idee, Luft auf einer vom Wasser überströmten Oberfläche festzuhalten Festgehaltener Luftfilm Zum Salvinia-Effekt

60 Falsch ist die Annahme: Wasser schlittert über die Luft Richtig ist die Tatsache: Wasser klebt an der Luft und schleppt diese mit Das ist die Haftbedingung oder no-slip-Bedingung der Fluiddynamik Wasser Luft

61 Luftfilm

62 Die stromab geschobene Luft müsste kontinuierlich nach vorn zurückgespeist werden

63 Wie lässt sich ein Luftfilm auf einer Oberfläche halten ? Nicht durch eine Kapillar-Aszension, aber durch eine Kapillar-Depression Kapillar-Aszension hydrophile Wand Kapillar-Depression hydrophobe Wand Kapillar-Depression Luftfilm mit superhydrophober Kapillar-Depression W A S S E R L U F T

64 Ein Rohrwandstück, das durch Kapillar-Depressionen Luft festhält Superhydrophobe Wände Luft wird allmählich durch die Scherspannung herausgespült Das Experiment zeigt:

65 Wasser Rotierende Luft-Zellen Wasser- Tropfen Luft Wasser wird an den Schneebesenspitzen „festgetackert“ Der Salvinia -Effect ® Nach W. Barthlott

66 Das Blatt der Salvinia schwimmt ruhend auf der Wasseroberfläche. Der Evolutionsbiologe würde fest- stellen: Das Lufthalten hat Vorteile. Wird das Blatt gewaltsam untergetaucht, schwimmt es schnell wieder auf. Sollte es nicht gleich aufschwimmen, kann es durch die mitgeführte Luft noch lange atmen. Aber vielleicht findet sich noch ein Wassertier, dass die Lufthaltetechnik zur dauerhaften Verminderung des Strömungswiderstands evolutiv verwirklicht hat. Es ist aber nicht erkennbar, weshalb die Evolution daran gearbeitet haben soll, den Strömungswider- stand zu minimieren (Der harte Bioniker interessiert sich aber dafür, was die Evolution „gewollt“ hat). Lufthalten allein reicht nicht! Es muss das Problem der lufthaltenden, rotierenden Luftzellen gelöst werden. Es wäre verwunderlich, wenn das Salvinia-Blatt dieses komplexe Problem gelöst haben sollte, um durch Verminderung der Strömungsreibung Energie zu sparen.

67 Instabilitätspunkt Umschlagpunkt v 0 x Thunfischform Pinguinform Delfinhaut Fischschleim Haifischschuppen Pinguinkleid Anwendungsbereiche der 5 biologischen Methoden zur Verminderung des Reibungswiderstands

68 Ende


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