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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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Präsentation zum Thema: "Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik I Widerstandsverminderung in der Natur Wie schnelle Wassertiere Energie sparen."—  Präsentation transkript:

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 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 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

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

8 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 · Grenzschichtdicke

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

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

11 Tunfisch-Form

12 Pinguin-Form

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

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

15 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. Jahrbuch der WGLR Vieweg-Verlag, Braunschweig Literatur:

19 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

20 Technische Nachbildung der Delfinhaut M. O. Kramer

21 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

22 Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt Pendel Viskoelastische Flüssigkeit

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

25 Fischleim zur Wirbeldämpfung

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

27 Fallversuche zum Fischschleimeffekt

28 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)

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

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

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

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

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

35 Aufbau der Schuppen eines Hais

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

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

38 Die laminare Unterschicht Grenzschicht- Geschwindigkeitsprofil laminar turbulent

39 = lokale Wandschubspannung 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

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

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

49 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 = Frequenz der strö- menden Luftbläschen = Zähigkeit des Wassers w = Wandschub- spannung am Messort

53 Ende


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