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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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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 (100%)

3 Der biologische Propeller

4 Flossenpropeller - Forelle

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

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

7 Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Auftriebtheorie Delfin schwimmt nach oben auf Anstellwinkel

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

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

10 Auftrieb Schub Bei Vorwärtsbewegung Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht Schräganströmung durch Bewegung nach oben (Hier Aufwärtsbewegung !) Der Fisch möge senkrecht nach oben schwimmen

11 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 Wolfgang Liebe

12 Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

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

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

15 Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

16 Wirbelbild Delfinflosse Sieht aus wie eine Wirbelspule, aber zwischen eine Wirbelspule und einem Wirbelfaltblatt besteht kein funktioneller Unterschied

17 Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

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

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

20 Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur Schub Wirbelringe CFD

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

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

23 Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Thunfischs ? Welchen (strömungstechnischen) Zweck haben die Nasenbuckel an der Flossenvorderkante des Buckelwals ? Zackenband Nasenbuckel

24 CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenbuckel DLR-Hubschrauber Bo-105 Pressemeldung: Buckelwal macht Hubschrauber wendiger Buckelwal 

25 Flossenboote Ist die Flosse besser als ein Propeller ?

26 Zurück zum technischen Propeller

27 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

28 Muskelkraftflugzeug Hallenflugmodell Große Luftschraube → kleine Luftbeschleunigung → hoher Wirkungsgrad

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

30 Schaumschläger Ein unmöglicher Antrieb Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika Strahlantrieb ein Fährschiffes

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

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

33 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

34 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

35 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

36 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

37 Leistungsverhältnis: 1,01, ,20 0,61,43 0,41,68 0, ,41 S 0 N H v v L L Henrich Focke gegen Heinrich Hertel Das geht nichtDas geht

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

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

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

41 Vision: Flugzeug mit Integralantrieb

42 Nachlaufbeschleunigung (NASA-Studie)

43 Distributed Propulsion

44 US Patent: US B2 Erfinder: Yee-Chun Lee Veröffentlichungsdatum 16 Okt Grenzschichtantrieb Luftschiff Grenzschicht = Abgebremste Strömungsteilchen werden wieder beschleunigt

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 Angestellter Tragflügel

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 Das Triebwerk „Qualle“

57 Der pulsierende Quallenschlag erzeugt Ringwirbel

58 Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle aber so ist es nicht, So könnte es hinter einer Qualle zwar aussehen. Die Drehfelder der Wirbelele- mente löschen sich in  gegenseitig aus. Die Strömung im Inneren der Ringwirbel wird beschleunigt !

59 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 Durch den pulsierend zuckenden Quallenschlag bilden sich zwei dicht beein- ander liegende Ringwirbel, die sich gegenläufig drehen ! sondern so Strömung tritt seitwärts ein

60 Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen So funktioniert also die Qualle

61 Ende Ich wünsche Ihnen einen guten Flug in das Jahr 2015

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