The Da Vinci Vortex - Experimental Lecture - Wolfgang Send Understanding flight – Fliegen verstehen Learning from flows – Von Strömungen lernen Bernoulli’s equation – Bernoullische Gleichung Where do lift and drag come from? – Woher kommen Auftrieb und Widerstand? Vortices and lifting surfaces – Wirbel und tragende Flächen Excursion into nature’s patents – Exkurs zu den Patenten der Natur Revealing nature’s secrets – Geheimnisse der Natur aufdecken The Da Vinci Vortex - Experimental Lecture - Wolfgang Send Institute of Aeroelasticity, German Aerospace Center (DLR) Göttingen, Germany Public lecture on the occasion of the 12th International Symposium on Flow Visualization, 10 - 14 September 2006 in Göttingen, Germany This version is distributed for educational purposes only. It is supplemented with videos showing the essential parts of the demonstrations. The information is given to the author’s best knowledge and according to the present state-of-the-art. Nevertheless, the knowledge may be subject to mistakes, and the information may contain misprints. The author disclaims any responsibility or obligation for the contents in this presentation. The author claims the COPYRIGHT for the contents, as far as the further distribution on portable electronic media (TAPE, CD, DVD) and as printed matter is concerned. An exception is made for teachers at public schools and at universities, who make use of the presentation for educational purposes in their own classes and without commercial intention beyond. Please note, that some parts in this presentation are electronic citations with copyrights by third parties.

Understanding flight – Fliegen verstehen Airbus A340 Lift – (dynamischer) Auftrieb* * Im Gegensatz zum statischen Auftrieb (englisch: buoyancy) Drag – Widerstand Thrust – Schubkraft Weight – Gewicht Balance of forces - Gleichgewicht der Kräfte

Understanding flight – Fliegen verstehen Lift – Auftrieb Drag – Widerstand Thrust – Schubkraft Weight – Gewicht Balance of forces - Gleichgewicht der Kräfte Otto Lilienthal, Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst Gärtner Verlag, Berlin 1889 (Tafel VIII) - (1848 – 1896)

Understanding flight – Fliegen verstehen Étienne-Jules Marey, La Machine Animale Éd. F. Alcan, Paris 1891. Fig. 84 – (1830-1904) Thrust - Schubkraft ca. 0.14 N Thrust according to Newton‘s law actio = reactio Historic experiment by Étienne-Jules Marey Schubkraft folgt Newtons Gesetz actio = reactio Movie

Understanding flight – Fliegen verstehen Étienne-Jules Marey, Le Vol des Oiseaux, Éd. G. Masson, Paris 1890. Étienne-Jules Marey, La Machine Animale Éd. F. Alcan, Paris 1891 (Fig. 110) The traces of the needles of his pressure sensors on the rotating soot cylinder are an important historic document. Die Spuren der Nadeln seiner Druckmesser auf Rußwalzen sind ein bedeutendes historisches Zeugnis. Mouvement de haut en bas (HB) – Bending – Schlagen Torsion de l‘articulation scapulo-humérale (S) – Feathering - Drehen Avant et arrière (le bord postérieur est relevé) (AP) – Lagging - Schwenken Research in animal flight – Untersuchungen des Tierflugs

Learning from flows – Von Strömungen lernen Flat plate and cambered plate Smoke channel Ebene Platte und gewölbte Platte Rauchkanal Probably, worldwide the very first photographs visualizing flows 1899 (following the negative plate) Vermutlich die ersten Bilder von Strömungen überhaupt und weltweit Étienne-Jules Marey 1899 (nach der Negativplatte) Source: L. Mannoni, Étienne-Jules Marey la mémoire de l‘œil, Edizioni Gabriele Mazzotta, Milano 1999

Learning from flows – Von Strömungen lernen Lilienthal discovered the advantage of the cambered plate over the flat plate (drawing). Lilienthal entdeckte den Vorteil der gewölbten Platte gegenüber der ebenen Platte (Zeichnung). W. Heinzerling, H.Trischler Hrsg., Otto Lilienthal Deutsches Museum, München 1991 Otto Lilienthal, Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst , Gärtner Verlag, Berlin 1889 The advantage of camber – Der Vorteil der Wölbung

Learning from flows – Von Strömungen lernen Leonardo da Vinci (1452 – 1519) Codex Sul volo degli uccelli Folio 8 Recto At Leonardo‘s time, no knowledge about the flow around the flying animals existed. Air is invisible. He observed the currents of water. Zu Leonardos Zeiten gab es keine Kenntnis über die Strömung um fliegende Lebewesen. Luft ist unsichtbar. Er beobachtete Wasserströmungen. Leonardo da Vinci, Windsor 12660 recto Leonardo da Vinci: His heritage – Sein Erbe

Learning from flows – Von Strömungen lernen Leonardo da Vinci, Windsor 12660 recto The strong vortex plait in the middle emanates from the two vertical edges. Der starke Wirbelzopf in der Mitte stammt von den beiden senkrechten Kanten. Bryan Thwaites, Incompressible Aerodynamics Oxford 1960, Fig. VIII.2 Drawing of a vortex pair – Zeichnung eines Wirbelpaars

Learning from flows – Von Strömungen lernen Small private water tunnel – Re-designed! (built for an entirely different purpose) Kleiner privater Wasserkanal – Umgebaut! (gebaut für gänzlich anderen Zweck) Movie Experiment: The Da Vinci vortex

Learning from flows – Von Strömungen lernen Flying inevitably depends on the formation of vortices. Current aeronautical research concentrates on minimising their energy and on techniques effecting a premature decay. Movie: Modern transport aircraft in a slingshot tunnel. Fliegen ist unauflöslich mit der Bildung von Wirbeln verbunden. Aktuelle Luftfahrtforschung konzentriert sich auf möglichst geringen Energieinhalt und ihren vorzeitigen Zerfall. Film: Modernes Verkehrs-flugzeug in einem Katapultkanal Movie Courtesy of A. Schröder – DLR Göttingen The pair of vortices behind a flying aeroplane Das Wirbelpaar hinter einem fliegenden Flugzeug

Learning from flows – Von Strömungen lernen Ludwig Prandtl (1875 – 1953) Prandtl wrote the basic papers which describe vortices as the driving mechanism for lift and drag. First director of the aeronautical research establishment in Göttingen (founded in 1907 – the modern DLR). Prandtl schrieb die grundlegenden Arbeiten, die Wirbel als treibenden Mechanismus für Auftrieb und Wider-stand beschreiben. Erster Direktor der Forschungsanstalt für Luftfahrt in Göttingen (1907 gegründet – die heutige DLR). Movie The development of lift at the very first moment Movie made 1927 and 1932-33 at Prandtl‘s Institute Der erste Augenblick der Entstehung des Auftriebs Film entstanden 1927 und 1932-33 an Prandtls Institut The vortex behind a starting aerofoil Der Wirbel hinter einer startenden Tragfläche

Learning from flows – Von Strömungen lernen Movie Movie Reaction force to the lift? - Gegenkraft zum Auftrieb? 1 2 Right answer Richtige Antwort Pure vortex dynamics? - Reine Wirbeldynamik? 2 Where does the downward motion of the vortices come from? Wo kommt die Abwärtsbewegung der Wirbel her?

Understanding flight – Fliegen verstehen The large tropical hurricane shows a vortical structure. Der große tropische Sturm zeigt eine wirbelförmige Struktur.

Understanding flight – Fliegen verstehen Beyond the scope of fluid mechanics, vortical structures play an important role as a pattern of organized matter. Über die Strömungsmechanik hinaus spielen wirbelförmige Strukturen eine bedeutende Rolle als Ordnungsmuster der Materie.

Bernoulli’s equation – Bernoullische Gleichung Volume – Volumen Mass in motion Masse in Bewegung Pressure – Druck Mass – Masse Density – Dichte Static Energy – Statische Energie Pressurized balloon Ballon unter Druck Velocity – Geschwindigkeit Kinetic Energy – Kinematische Energie + = konstant + = That means: Das heißt: + = Bernoulli‘s equation – Bernoullische Gleichung Static and kinetic energy – Statische und kinematische Energie

Bernoulli’s equation – Bernoullische Gleichung + = konstant Pressure – Druck Density – Dichte Velocity – Geschwindigkeit Bernoulli‘s equation – Bernoullische Gleichung Pressure – Druck Constant volume flow Q Konstanter Volumenstrom Q [m³/s] Velocity – Geschwindigkeit Pressure and velocity – Druck und Geschwindigkeit

Q a) Lift – (dynamischer) Auftrieb Where do lift and drag come from? – Woher kommen Auftrieb und Widerstand? Contour lines: Magnitude of velocity Höhenlinien: Betrag der Geschwindigkeit a) Lift – (dynamischer) Auftrieb Constant volume flow Q. Without angle of incidence (left), equal massflow below and above the profile. With angle of incidence (right), more mass flows on the upper side than does on the lower side. Konstanter Volumenstrom Q. Ohne Anstellwinkel (links) sind die Massenströme oberhalb und unterhalb des Profile gleich. Mit Anstellwinkel (rechts) strömt oberhalb mehr Masse über die obere Seite als über die untere Seite. Q The change in mass flow – Die Änderung im Massenstrom

Q a) Lift – (dynamischer) Auftrieb Lift - Auftrieb Where do lift and drag come from? – Woher kommen Auftrieb und Widerstand? Contour lines: Pressure distribution Höhenlinien: Druckverteilung Movie a) Lift – (dynamischer) Auftrieb Lift - Auftrieb Constant volume flow Q. The angle of incidence >0 (right) causes a higher massflow on the upper side, hence a higher velocity than on the lower side. The higher velocity causes a lower pressure (Bernoulli‘s equation!). Konstanter Volumenstrom Q. Der Anstellwinkel >0 (rechts) verursacht einen höheren Massenstrom auf der Oberseite, folglich auch eine höhere Geschwindigkeit. Die höhere Geschwindigkeit ergibt einen geringeren Druck (Bernoullische Gleichung!). Q Change in pressure causes lift – Änderung im Druck ergibt Auftrieb

Sources of Drag – Quellen des Widerstands Where do lift and drag come from? – Woher kommen Auftrieb und Widerstand? Source 1: Friction Quelle 1: Reibung b) Drag – Widerstand Air is a viscous fluid. The flow particles have the tendency to stick to the surface of the moving body. Passing the fluid the body continuously encounters new particles which will be accelerated. Luft ist ein zähes Medium. Die Partikel in der Strömung neigen dazu, auf der Oberfläche des bewegten Körpers zu haften. Bei der Bewegung durch das Medium trifft der Körper ständig auf neue Körper, die hierbei beschleunigt werden. Sources of Drag – Quellen des Widerstands

Vortices and lifting surfaces – Wirbel und tragende Flächen Source 2: Tip vortices Quelle 2: Die Randwirbel b) Drag – Widerstand Modelling Lifting surface S Wake vortex N The low pressure field on the upper side attracts the particles passing the tip region at the lower side. The particles start curling up and are moved downstream at the same time. The combination of the two effects results in a strong tip vortex at both sides of an aeroplane. The continuously accelerated particles coming in require energy which comes from the thrust of the engines. Die Region des Unterdrucks auf der Oberseite zieht die Partikel an, die im Bereich der Flügelspitze auf der Unterseite anströmen. Die Partikel rollen sich auf und werden zugleich stromabwärts bewegt. Beide Effekte ergeben zusammen einen starken Randwirbel auf beiden Seiten eines Flugzeugs. Die ständig neu einströmenden Partikel werden beschleunigt, wozu sie Energie verbrauchen. Diese Energie wird von den Triebwerke geliefert. Sources of Drag – Quellen des Widerstands

Vortices and lifting surfaces – Wirbel und tragende Flächen The technique „Particle Image Velocimetry“ (PIV) reveals the last secrets of flying. The method has the capability to analyze a whole flow field. Animation und picture: Andreas Schröder – DLR Göttingen Die Technik der Messung der Geschwindigkeit aus zwei aufeinander folgenden Bildern (PIV) enttarnt die letzten Geheimnisse des Fliegens. Die Methode ist in der Lage, ein ganzes Strömungsfeld zu analysieren. Meinem Kollegen Andreas Schröder (DLR Göttingen) verdanke ich die Animation und das nachfolgende Bild. PIV: Pinciple of measurement – Prinzip der Messung

Vortices and lifting surfaces – Wirbel und tragende Flächen Movie The formation of the tip vortices. Die Ausbildung der Randwirbel. The tip vortices – Die Randwirbel

Excursion into nature’s patents – Exkurs zu den Patenten der Natur The astonishing technical evolution of airplanes – Die erstaunliche technische Evolution der Flugzeuge

? The limits of learning from nature Excursion into nature’s patents – Exkurs zu den Patenten der Natur ? Region of supersonic flow on the wing of a modern transport aircraft (Ma >1). There is no analogous evolution in nature. The poster induced the wrong imagination of analogy! Bereich des Überschalls auf dem Flügel eines moderen Verkehrsflugzeugs (Ma > 1). Es gibt keine vergleichbare Entwicklung in der Natur. Das Poster lenkte auf die falsche Vorstellung einer Analogie! The limits of learning from nature Die Grenzen des Lernens von der Natur

Revealing nature’s secrets – Geheimnisse der Natur aufdecken Leonardo da Vinci did thorough studies on flapping flight. His blueprints were built and they work – principally. Our present knowledge of lift and drag describing the flow around lifting surfaces was developed at the beginning of the 20th century. Leonardo da Vinci hat umfangreiche Studien zum Schwingenflug erstellt. Seine Entwürfe sind nachgebaut worden und funktionieren – im Prinzip. Unsere heutigen Kenntnisse von den Kräften Auftrieb und Widerstand bei der Umströmung von Tragflächen sind erst zu Anfang des 20. Jahrhunderts entstanden. The dream of flying - Der Traum vom Fliegen

Revealing nature’s secrets – Geheimnisse der Natur aufdecken Towing force (not required!) Schleppkraft (nicht erforderlich!) Artificial bird Künstlicher Vogel Movie Movie ESKALIBRI – The world‘s best ornithopter model Das derzeit beste Modell eines künstlichen Vogels. Spring scale Kraftmesser Balance of forces Gleichgewicht der Kräfte How the flying animals produce thrust Wie die fliegenden Tiere ihre Schubkraft erzeugen

Understanding flight – Fliegen verstehen The End – Thank’s for coming and for your attention. Ende – Vielen Dank fürs Kommen und für Ihre Aufmerksamkeit. Courtesy of A. Schröder – DLR Göttingen