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

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

Widerstand in Reinstform a) Druck- oder Formwiderstand Wirbel !!! nicht Turbulenz a) Druck- oder Formwiderstand Durch Stromlinienform reduzierbar b) Reibungswiderstand Das Problem ist der Reibungswiderstand

Theorie – Reibungswiderstand Für den Reibungswiderstand gelten die Formeln: n wasser = 1·10-6 m2/s n luft = 15·10-6 m2/s Kinematische Zähigkeit Theorie – Reibungswiderstand

Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand 1 2 Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand

Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten ebenen Platte U-Punkt

Entdeckung von Osborne Reynolds (1883) Rohrströmung laminar turbulent Kinematische Viskosität:

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

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

Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend Die Theorie zeigt; Ein bauchiges Geschwin- digkeitsprofil stabilisiert die laminare Grenzschicht Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend

Tunfisch-Form

Pinguin-Form

Rumpfkörper in Biologie und Technik Beschleunigte Strömung Tunfisch Geschwindigkeitsverteilung Pinguin Laminarspindel Theorie Delfin Rumpfkörper in Biologie und Technik

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

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

Delfin-Haut

Graysches Paradoxon: Das Graysche Paradoxon ist ein Strömungseffekt, der bei schnellen Walen, etwa den Delfinen auftritt. Der Körper vor allem dieser Arten verfügt in der Realität über weit bessere Strömungseigenschaften, als diese bei einem technischen Körper mit der gleichen Form der Fall ist. Die Namensgebung geht auf den britischen Zoologen James Gray zurück, er hatte festgestellt, die Muskulatur dieser Meerestiere sei nicht kraftvoll genug, um die beobachteten Schwimmgeschwindig-keiten von zehn Meter pro Sekunde gegen den Widerstand des Wassers aufrecht zu erhalten. Das Graysche Paradoxon gilt heute nicht mehr. Steht ein Delfin aufrecht auf seiner Flosse über der Wasseroberfläche, ist die Kraft mit bis zu 1800 Newton sogar bis zu 20 mal höher, als lange angenommen.

M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Literatur: M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Jahrbuch der WGLR 1969. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970.

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)

Technische Nachbildung der Delfinhaut M. O. Kramer Technische Nachbildung der Delfinhaut

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

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

Versuche zum Delfinhauteffekt am Institut für Luft- und Raumfahrt an der TU Berlin (Prof. W. Nitsche) Bei den Experimenten soll die Verzögerung des Umschlages durch Dämpfung der Tollmien-Schlichting-Instabilitäten (TS-Wellen) mittels aktiv geregelter Gegenwellen erreicht werden. Die natürlichen Störungen werden dabei durch einen Referenzsensor erfasst und stromab mit einer daraus berechneten Gegenwelle überlagert, so dass am Fehlersensor hinter dem Aktuator nur noch minimale Störungen verbleiben.

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

Fischleim zur Wirbeldämpfung

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 Festsubstanz Barrakudaschleim ergibt 62,5 % Widerstandsverminderung

Fallversuche zum Fischschleimeffekt

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 18800 U/min in einem Küchenmixer gerührt

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

Einsatz von Polyox bei der New Yorker Feuerwehr Mit Polyox Ohne Polyox Einsatz von Polyox bei der New Yorker Feuerwehr

Schwimmbecken: 25 m lang, 10 m breit, 2,5 m tief 3125 g Polyox = 5 ppm

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

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

Haie haben Längsrillen Wolf Ernst Reif 1945 - 2009 Schnell schwimmende Haie haben Längsrillen auf ihren Schuppen Hai-Schuppen

Aufbau der Schuppen eines Hais

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

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

Die laminare Unterschicht Grenzschicht-Geschwindigkeitsprofil turbulent laminar Die laminare Unterschicht

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/s d * = 0,028 mm S = 3,5 ·d *= 0,10 mm

Die „Stars & Stripes“ gewinnt den Americas Cup 1987 mit einer Haifisch-Rillen-Oberfläche

Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

Fastskin-Schwimmanzug der Firma

Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

Riblets für Turbomaschinenschaufeln Laser gefertigt (Laser-Zentrum Hannover) Lackabdruck (Firma Holotools GmbH)

Rippenstruktur der Federn eines Kolibris Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins

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

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

Führung der Längswirbel in den Rillentälern CFD-Rechnung Computational Fluid Dynamics Führung der Längswirbel in den Rillentälern

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

Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin

Schiffsbug mit ausgestoßenen Luftblasen

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

Ende www.bionik.tu-berlin.de