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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik I Widerstandverminderung in der Natur Wie schnelle Wassertiere Energie sparen Weiterverwendung.

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

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1 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 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

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

5 U-Punkt Reibungsbeiwert c f an einer längs angeströmten ebenen Platte

6 Entdeckung von Osborne Reynolds (1883) Osborne Reynolds ( ) Rohrströmung laminar turbulent

7 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

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

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

10 Pinguin-Form

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

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

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

14 Delfin-Haut

15 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

16 Technische Nachbildung der Delfinhaut

17 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

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

19 Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt Pendel Viskoelastische Flüssigkeit

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

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

22 Fischleim zur Wirbeldämpfung

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

24 Fallversuche zum Fischschleimeffekt

25 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)

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

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

33 Die laminare Unterschicht Grenzschicht- Geschwindigkeitsprofil laminar turbulent

34 = 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 2

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

41 CDF-Rechnung Führung der Längswirbel in den Rillentälern

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

45 Ende


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