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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung Bionik I Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung Bionik I Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel

2 Dädalus und Ikarus Vorbild Vogel Kein Leitwerk

3 Otto Lilienthal ( ) Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges führten zum ersten erfolgreichen Flug des Menschen Otto Lilienthal am 16. August 1894: Schlagflügelapparatmit aufgespreizten Flügelenden

4 Rumpf mittig ! Flügel vorn ! Leitwerk hinten ! Lösung der Ingenieure nach über 100 Jahren Flugzeugentwicklung Lösung der biologischen Evolution Seeschwalbe

5 Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker Das Flugzeug ist noch immer Gegenstand bionischer Forschung Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung Denn:

6 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden ? Energieersparnis

7 Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

8 Randwirbel an einer F 18 Hornet

9 Wie entsteht Auftrieb an einem Tragflügelprofil ?

10 2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung). 1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein. Dagegen spricht: Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb, obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !

11 Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ? Unterdruck Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf der Profiloberseite die notwendige Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten Bewegungsbahn zu halten. Zentrifugalwirkung Zentripetalkraft Weil eine gekrümmte Oberfläche die Strömung krümmt !

12 Auch bei einer angestellten ebene Platte sind die Stromlinien gekrümmt und sie erzeugt deshalb Auftrieb

13 Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 ! Mathematische Strömung Potentialwirbel Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb ! Geschwindigkeitsfeld Formel von Kutta/Joukowski A r v Flügelspannweite Zirkulation v Kutta Joukowski In der Realität geht die Strömung nicht um die scharfe Hinterkante herum

14 Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel Anfahrwirbel Zirkulation

15 Warum bildet sich ein Zirkulationswirbel ? Der abschwimmende Anfahrwirbel kann allein nicht existieren. Sein Drehgeschwindigkeitsfeld würde einen unendlichen Energieinhalt besitzen. Es muss ein gleich starker Gegenwirbel entstehen, damit sich die Geschwindigkeiten im Unendlichen auslöschen. Der Gegenwirbel ist der Zirkulationswirbel.

16 Randwirbel erzeugt Abwärtsstrahl Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben ! Zirkulation erzeugt höhere Geschwindigkeit und damit Unterdruck auf der Flügeloberseite Auftriebs- Strahl 2 gleichberechtigte Modelle zur Berechnung des Auftriebs !

17 Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand. Nach Ludwig Prandtl Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern. Ludwig Prandtl ( ) Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen

18 Längsauftrennung des Flügels

19 Der Doppeldecker-Trick halbiert den Randwiderstand Vorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel

20 20-Decker von Horatio F. Philipps (1904) Horatio Frederick Phillips

21 Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand

22 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

23 Randwirbel am Normalflügel Randwirbel am Spreizflügel Formation einer strömungs- beschleunigenden Wirbelspule Siehe Vorlesung Berwian Multideckertrick oder Wirbelspulenprinzip Zwei Deutungen des Spreizflügeleffekts Die Wirbelspule erzeugt einen kleinen Schub

24 Nachevolution im Windkanal (Neobionik) Neue Generation c a - c w - Messung Flexible Bleistreifen Nachkommen realisieren Eltern eingeben Nachkommen bewerten

25 Generation Evolution eines Spreizflügels im Windkanal Max

26 Spreizflügel versus Normalflügel 0188,0 min 3 2 a w c c 0216,0 min 3 2 a w c c Diplomarbeit: Michael Stache

27 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

28 Evolutions- Wettkampf ? ?

29 Für den Vogel ohne Spreizung Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel mit Spreizung Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F = 0,2 m 2 g = 9,81 m/s 2 = 1,1 kg/m 3 Daten für Bussard

30 Evolutions- Wettkampf 13 min 33 sec14 min 30 sec

31 Vorstufe des Spreizflügels des Vogels Winglets Boeing C-17 A Globemaster III

32 Winglets am Segelflugzeug

33 Doppelwinglets MD 11 (Boeing) Auf dem Weg Dreifach-Winglets (Antonov) zum Vogelflügel

34 Doppelwinglets: Arava IAI 202 (1977) Auf dem Weg zum Vogelflügel

35 Aus dem Internet a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero b) "Winggrid" eines Kondors c) Motorsegler Stemme S10 Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der Wirbelzöpfe d) Winggrids Auf dem Weg zum Vogelflügel Lang gezogene Wirbelspule

36 Flugmodell mit Multiwinglets

37 Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug Foto: Michael Stache

38 Flugmessungen an einem Segelflugzeug

39 Vom gespreizten Vogelflügel Schlaufenflügel zum Patent von Louis B. Gratzer Flügelunterseite wird zur Oberseite (Möbius-Band) Die abnehmende Flügeltiefe muss man sich in kleinen Stufen realisiert vorstellen

40 Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

41 Schlaufenflügel (spiroid wing)

42 Studenten-Praktikum am Storchenflügel

43 Flugzeugabsturz

44 Die wahrscheinliche Unglücksursache lag in dem Unvermögen der Flugbe- satzung, die Aktivierung des Stick Shaker als unmittelbare Warnung für den Übergang in den überzogenen Flugzustand zu erkennen und die Un- fähigkeit, die entsprechenden Verfah- ren zur Behebung dieses Flugzustan- des durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die War- nung für die Überschreitung der maxi- malen Geschwindigkeit zur Verwir- rung der Besatzung geführt. Absturz durch Strömungsablösung Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995 Birgenair-Flug 301 Absturz über dem Atlantik am 9. Februar 1996 Aus dem Untersuchungsbericht

45 Die ausgegebene Überziehwarnung wurde von der Besatzung ignoriert. Dies kann eine Folge mehrerer Umstände sein: Die Art des akustischen Alarms wurde nicht identifiziert. Alarmsignale am Anfang des Ereig- nisses wurden als irrelevant betrachtet und nicht be- achtet. Daneben fehlten visuelle Informationen, die eine Bestätigung des bevorstehenden Strömungsabrisses nach dem Verlust der Geschwindigkeitsanzeige ermög- licht hätten. Möglicherweise verwechselten die Piloten die vorliegende Flugsituation einer zu niedrigen Ge- schwindigkeit mit der einer zu hohen Geschwindigkeit, denn die Symptome beider Zustände ähneln einander. Aus dem Untersuchungsbericht Der verunglückte Airbus A Air-France-Flug 447 Absturz über dem Atlantik am 1. Juni 2009 Absturz durch Strömungsablösung

46 Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug

47 ? ? ? Braun-Skua in der Antarktis

48 Druckverteilung an einem Tragflügelprofil Höchster Unterdruck (Sog) - Wie kommt es zu einer Strömungsablösung ?

49 Entstehung einer Ablösung Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durch Reibung abgebremst. Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog ankämpfen muss, kommt am Punkt A zum Stillstand. A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt. A B Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö- mungsteilchen (Bernoulli, erhöhte kinetische Energie !) stets dem Sog des Unterdrucks. Wichtig !!!!!!! Sonst bewegt es sich in Richtung des größten Unterdrucks zurück !

50 Wanderung der Ablösung zum Druckminimum Zusammenbruch des Auftriebs Die wandnahen Strömungsteilchen (Grenzschichtteilchen) folgen dem Druckgradienten und strömen zur Stelle des größten Unterdrucks!

51 Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder ! Deckfeder = Rückschlagventil

52 B Hier ist bei einem Auftrieb erzeugenden Tragflügel die Strö- mung immer turbulent, d. h. mit Mikrowirbeln durchsetzt. Dadurch wird Energie von der Außenströmung an die Wand transportiert. Kleine Wirbelballen von außen schubsen die abgebremsten wandnahen Strömungsteilchen nach hinten. So wird eine Rückströmung der durch Reibung abgebremsten Strömungsteilchen zum Druckminimum hinausgezögert. Bei einer laminaren Grenzschichtströmung würde es ein Strö- mungsteilchen niemals von B bis zu Hinterkante schaffen!

53 A B Auch hier ist die Strömung hinter B immer turbulent. Doch bei vergrößertem Anstellwinkel schafft es auch die turbulente Grenzschichtströmung nicht bis zur Hinterkante. Bei A bleiben Strömungsteilchen stehen. Die Außenströmung wird von der Wand abgehoben, und es entstehen Wirbel. Die Strömung wird instabil und die Strömungsteilchen in der Grenzschicht folgen dem Druckgradienten an der Wand. ( Druckminimum bei B).

54 Warum haben Golfbälle näpfchenartige Vertiefungen (Dimples) ? Weil im Strömungsbereich eines Golfballs (unterkritische Re-Zahl) die Strömung nicht von selbst turbulent wird. Erst die Rauigkeiten der Dimples machen die wandnahe Grenzschichtströmung turbulent. Das erhöht zwar die Reibung, was aber durch die hinausgezögerte Ablösung der Strömung mehr als wettgemacht wird. Der Strömungswiderstand wird um 50% verringert.

55 … erschwerend kommt hinzu, dass Wirbel nichtlinear miteinander wechselwirken können. Das hat mitunter paradoxe Effekte. So erzeugt eine etwas turbulente Strömung mitunter sogar weniger Widerstand als eine glatte, laminare. Genau deswegen haben manche Oberflächen Dellen - Golfbälle beispielsweise. Die kleinen Vertiefungen verwirbeln geringfügig die vorbei- strömende Luft, verringern dadurch den Luft- widerstand, und der Ball fliegt weiter. Aus Spektrum der Wissenschaft, Heft 1, 2013: Große Wirbel um die Turbulenz. Was heißt das konkret: Wirbel nichtlinear miteinander wechselwirken können ??? Eine etwas turbulente Strömung gibt es nicht !

56 Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag- ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt. Braun-Skua ? ? ? Rückstromtaschen

57 Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

58 Dreifache Rückstrombremsung Braun-Skua: Ablösekontrolle

59 Der Deckfeder-Effekt

60 Rückstrombremsen an einem Flugmodell Janosch Huser

61 Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ? Aerodynamischer Trick Daumenfittiche (Alulae) These: Randwirbel, der als Grenzschichtzaun fungiert

62 Profilnase - Skua

63 Angriff - Hochziehende Skua Aerodynamischer Trick Nasenklappen

64 Ende


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