PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“ Widerstandverminderung in der Natur Wie schnelle Wassertiere Energie sparen Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 1. Grenzschicht-Laminarhaltung durch Tunfisch- / Pinguin-Form
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
in Reinstform a) Druck- oder Formwiderstand Durch Stromlinienform reduzierbar b) Reibungswiderstand Das Problem ist der Reibungswiderstand

4 Theorie – Reibungswiderstand
Für den Reibungswiderstand gelten die Formeln: Kinematische Zähigkeit Theorie – Reibungswiderstand

5 Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten ebenen Platte
U-Punkt

6 Entdeckung von Osborne Reynolds (1883)
Rohrströmung laminar turbulent

7 Phänomen: Umschlag laminar/turbulent
6 ·d TS-Wellen Tollmien-Schlichting-Wellen Grenzschichtdicke d Instabilitätspunkt Re = 1,1·105 Umschlagpunkt Re = 3·106 Schwingendes Band (Störung) REYNOLDSzahl: Hitzdrahtanemometer Phänomen: Umschlag laminar/turbulent

8 1. Laminarhaltung durch Beschleunigung der Grenzschicht
Widerstandsverminderung in der Natur 1. Laminarhaltung durch Beschleunigung der Grenzschicht

9 Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend
Ein bauchiges Geschwin-digkeitsprofil stabilisiert die laminare Grenzschicht Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend

10 Pinguin-Form

11 Rumpfkörper in Biologie und Technik
Geschwindigkeitsverteilung Tunfisch Pinguin Laminarspindel Theorie Delfin Rumpfkörper in Biologie und Technik

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

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

14 Delfin-Haut

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

16 Technische Nachbildung der Delfinhaut

17 Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut
Bester Messwert von M. O. KRAMER für eine Federsteifigkeit der Haut von 220 N/cm2 c f = 0,003 Re = 1,5·107 Kramer-Punkt Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut

18 M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut.
Literatur: M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Jahrbuch der WGLR Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970.

19 Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt
Pendel Viskoelastische Flüssigkeit Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt

20 Statische Rillenstruktur
Delfin Statische Rillenstruktur S. H. Ridgway and D. A. Carder 1993

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

22 Fischleim zur Wirbeldämpfung

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

24 Fallversuche zum Fischschleimeffekt

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

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

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

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

29 Hai-Schuppen

30 Aufbau der Schuppen eines Hais

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

32 S = 3,5 ·d * ? BECHERTs Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal

33 Die laminare Unterschicht
Grenzschicht-Geschwindigkeitsprofil turbulent laminar Die laminare Unterschicht

34 d * = Dicke der laminaren Unterschicht t w = lokale Wandschubspannung Auslegung der Rillenfolie für ein Surfbrett Gleitgeschwindigkeit v = 5 m/s, Lauflänge x = 1 m, n wasser = 1·10-6 m2/s2 d * = 0,028 mm S = 3,5 ·d *= 0,10 mm

35 Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

36 Fastskin-Schwimmanzug der Firma

37 Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

38 Rippenstruktur der Federn
eines Kolibris Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins

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

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

41 CDF-Rechnung Führung der Längswirbel in den Rillentälern

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

43 Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin

44 Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser
w = Frequenz der strö-menden Luftbläschen m = Zähigkeit des Wassers w = Wandschub- spannung am Messort Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser

45 Ende