PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische

1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren 1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten cw → Min 2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten h → Max (100%)

Der biologische Propeller

Flossenpropeller - Forelle

Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel Startbeschleunigung 5g Startstellung 2,6 m/s 0,15 s Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel

Wie entsteht der Schub einer Fischflosse Auftrieb Nicht so … 3 Theorien sondern so

Schuberzeugung einer Fischflosse Delfin schwimmt nach oben auf Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Auftriebtheorie Anstellwinkel

Schuberzeugung einer Fischflosse Delfin schwimmt nach oben auf Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Hertelschen Auftriebstheorie

v v v A W Vortrieb durch Auftrieb Auftriebstheorie von Heinrich Hertel

Bei Vorwärtsbewegung Schub Auftrieb (Hier Aufwärtsbewegung !) Der Fisch möge senkrecht nach oben schwimmen Schub Auftrieb Schräganströmung durch Bewegung nach oben Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht Bei Vorwärtsbewegung (Hier Aufwärtsbewegung !)

Wirbeltheorie von W. Liebe Umströmung der Flossenhinterkante 1 Ausbildung eines Hinterkantenwirbels 2 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel 3 Wolfgang Liebe 1911 - 2005 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert 4 Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 5 Wirbeltheorie von W. Liebe Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 6 Flexible Flosse, Ansicht von oben

Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

Schub erzeugende Wirbelsysteme Wirbel- Ringe Schub erzeugende Wirbelsysteme Wirbel- Spule Wirbel- Faltblatt

Ringwirbelstraße einer Qualle Nicht ganz richtig ! Siehe weiter unten ! Ringwirbelstraße einer Qualle

Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

Wirbelbild Delfinflosse Sieht aus wie eine Wirbelspule, aber zwischen eine Wirbelspule und einem Wirbelfaltblatt besteht kein funktioneller Unterschied

Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

South Shetlands, Antarktis Beschleunigungssensoren Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen Kabel Pinguin im Schwimmkanal King George Island South Shetlands, Antarktis

Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch 1 Pinguin im Schwimmkanal Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch 2 Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet Wirbelring 3 Bildung eines Schub erzeugenden Wirbelrings

eine Wirbelfaltstruktur Schub Wirbelringe CFD Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur

? Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die Fahne an der Flossenspitze des Hais ?

Wirbelring im Wirbelring ? Wozu bleibt ungeklärt Nature 430, 850 (19 August 2004) C. D. Wilga & G. V. Lauder Biomechanics:  Hydrodynamic function of the shark's tail

Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Thunfischs ? Nasenbuckel Welchen (strömungstechnischen) Zweck haben die Nasenbuckel an der Flossenvorderkante des Buckelwals ?

Pressemeldung: Buckelwal macht Hubschrauber wendiger DLR-Hubschrauber Bo-105 a Buckelwal Pressemeldung: Buckelwal macht Hubschrauber wendiger CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenbuckel

Flossenboote Ist die Flosse besser als ein Propeller ?

Zurück zum technischen Propeller

Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers Strömungspfropfen Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung S S Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft Vortriebsleistung: Antriebsleistung: Vortriebswirkungsgrad: Möglichst klein Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers

→ kleine Luftbeschleunigung Muskelkraftflugzeug Hallenflugmodell Große Luftschraube → kleine Luftbeschleunigung → hoher Wirkungsgrad

Die Caravelle h sehr klein Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit Erstes strahlgetriebenes Kurz- und Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960 – 1980)

Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika Strahlantrieb ein Fährschiffes Schaumschläger Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika Ein unmöglicher Antrieb

Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand Der Trick der Natur die Strömung an der richtigen Stelle anzutreiben Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand

Das Propeller-Sieb-Modell Modell für gleichmäßige Strömungsabbremsung Sieb Das Propeller-Sieb-Modell

? a b v v Das Propeller-Sieb-Modell Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden Die 1 000 000-Euro-Frage: Ist aus energetischer Sicht: „a“ besser als „b“ „b“ besser als „a“ „a“ so gut wie „b“ Sieb ? Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel

a v v v v c b 1 2 L L 1 L - + = 1 30 , 1 = L v v v + - = + v v v v Sieb a v 2 v v v æ ö 1 + 2 - ç S ÷ S L v è ø b = v L + a 1 S v w c a b L - + = 1 30 , 1 = a b L Für cw = 0,5 v v b P Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel v v S

v v v v F Schub des Propellers: F Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v v F S P Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v v Bedingung für stationäre Bewegung: S Bedingung: F = F = F S P Erforderliche Propellerleistung:

v0 vS vP F F Schub des Propellers: Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v0 vS vP Bedingung: F = F = F S P Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung:

Leistungsverhältnis: 1,0 1,00 0.8 1,20 0,6 1,43 0,4 1,68 0,2 2.00 2,41 v L L S N H Das geht nicht Das geht Henrich Focke gegen Heinrich Hertel

Propeller-Sieb-Modell Nebeneinander und hintereinander Test im Windkanal hat die Theorie bestätigt

Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum Propeller Strahl Verlustenergie Sieb Nachlauf Keine bewegte Luft Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum

Integrale Antriebe in der Natur Vogel Fisch Paramecium Aal Qualle Manta

Vision: Flugzeug mit Integralantrieb

Nachlaufbeschleunigung (NASA-Studie)

Distributed Propulsion

Erfinder: Yee-Chun Lee Grenzschicht = Abgebremste Strömungsteilchen werden wieder beschleunigt US Patent: US8286909 B2 Grenzschichtantrieb Luftschiff Veröffentlichungsdatum 16 Okt. 2012 Erfinder: Yee-Chun Lee

Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?

1 2 3 4 5 6 Wirbeltheorie von W. Liebe Umströmung der Flossenhinterkante 1 Ausbildung eines Hinterkantenwirbels 2 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel 3 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert 4 Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 5 Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 6 Wirbeltheorie von W. Liebe

Saugwirkung eines Wirbels Unterdruck Zentrifugiertes Strömungsteilchen Saugwirkung eines Wirbels Gebremstes Strömungsteilchen Reibfläche Durch fehlende Zentrifugalwirkung wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt

Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel Vortex Generatoren Tusche Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel Angestellter Tragflügel Randwirbel

Lernen vom fliegenden Fisch

Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs Schub S Für Vortriebswirkungsgrad = 1 Zur abgeleiteten Formel

schlecht Prototyp "Seafalcon": Ende Oktober 2006 wurde das sogenannte Bodeneffekt-Fahrzeug erstmals zu Wasser gelassen. Mit der Technik kann das Gefährt übers Wasser fliegen. Anstatt von der „nachgiebigen“ Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug besser vom „härteren“ Wasser abstoßen !

Vorteile eines Bodeneffektflugzeugs 1. Größerer Auftrieb eines Flügels in Bodennähe 2. Kleinerer Widerstand der Randwirbel durch einen Spiegelungseffekt

Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing „Pelican“ Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing Spannweite 152 m, Länge 109 m Reichweite 16 000 km bei einer Flughöhe von 6 m

Der Schienenzepp von Franz Kruckenberg fuhr am 21. Juni 1931 in 98 Minuten von Hamburg-Bergedorf nach Berlin Spandau und hielt 24 Jahre den Geschwindigkeits-rekord von 230 km/h. Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden !

Das Triebwerk „Qualle“

Der pulsierende Quallenschlag erzeugt Ringwirbel

Die Strömung im Inneren der Ringwirbel wird beschleunigt ! So könnte es hinter einer Qualle zwar aussehen. Die Drehfelder der Wirbelele-mente löschen sich in  gegenseitig aus. Die Strömung im Inneren der Ringwirbel wird beschleunigt ! aber so ist es nicht, Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ? sondern so Durch den pulsierend zuckenden Quallenschlag bilden sich zwei dicht beein-ander liegende Ringwirbel, die sich gegenläufig drehen ! Strömungseintritt und Beschleunigung Strömung tritt seitwärts ein Ringwirbel Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ? Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung über einen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht

So funktioniert also die Qualle Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

Ende www.bionik.tu-berlin.de Ich wünsche Ihnen einen guten Flug in das Jahr 2015 Ende www.bionik.tu-berlin.de

v Schub des Propellers: F Widerstand des Siebes: Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung: v S P Bedingung: F = F = F F Impulssatz der Strömungslehre