PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“

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1 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

2 1. Grenzschicht-Laminarhaltung durch Thunfisch- / Pinguin-Form
Fünf Methoden der Widerstandsverminderung 1. Grenzschicht-Laminarhaltung durch Thunfisch- / 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 Widerstand in Reinstform a) Druck- oder Formwiderstand
Wirbel !!! nicht Turbulenz a) Druck- oder Formwiderstand Durch Stromlinienform reduzierbar b) Reibungswiderstand Das Problem ist der Reibungswiderstand

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

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

6 Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten ebenen Platte
Mit dem Dickerwerden der Grenz-schicht stromab verringert sich die lokale Reibung. Der auf die Fläche bezogene Reibungsbeiwert sinkt. Log-Skala ! U-Punkt

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

8 Phänomen: Umschlag laminar/turbulent
6 ·d TS-Wellen Tollmien-Schlichting-Wellen Direkte numerische Simulation der Navier-Stokes-Gleichungen Grenzschichtdicke d Instabilitätspunkt Re = 1,1·105 Umschlagpunkt Re = 3·106 Schwingendes Band (Störung) REYNOLDSzahl: Hitzdrahtanemometer Phänomen: Umschlag laminar/turbulent

9 Große Reibung Kleine Reibung turbulent laminar

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

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

12 Durch Dicken-Rücklage wird die Strömung beschleunigt
Thunfisch-Form

13 Durch Dicken-Rücklage wird die Strömung beschleunigt
Pinguin-Form

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

15 Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper
Mit zunehmender Re-Zahl wird die Grenzschicht immer instabiler! Zur Stabilisierung der Laminarität muss das Geschwindigkeitsprofil immer bauchiger werden. Facht Schwingung an ~v 2 ~v Dämpft Schwingung Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper T. Lutz, Stuttgart

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

17 Delfin-Haut

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

19 Delfine überholen Ozeandampfer

20 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.

21 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)

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

23 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

24 Aktiv nachgiebige Wand
Versuche zum Delfinhauteffekt am Institut für Luft- und Raumfahrt an der TU Berlin (Prof. W. Nitsche) Aktiv nachgiebige Wand 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.

25 Aktive Erzeugung einer Gegenwelle?
Ergebnis: Messung der TS-Welle und aktive Erzeugung einer gegenläufigen Wandwelle am Aktuator-Feld dämpft die TS-Welle! Siehe Antilärm-Kopfhörer Aktive Erzeugung einer Gegenwelle?

26 Isotrope Wand: Form der Nachgiebigkeit unabhängig von der Strömungsrichtung
Isotrope nachgiebige Wand Passiv nachgiebige Wand Anisotrope Wand: Form der Nachgiebigkeit ändert sich mit der Strömungsrichtung Wirkprinzip einer anisotropen Wand Die anisotrope Nachgiebigkeit der Wand soll eine bessere passive Dämpfung von TS-Wellen ermöglichen transversal longitudinal Schnitt durch eine Delfinhaut (Foto V. Pavlov)

27 Zum Delfinhaut-Effekt
Pendel Viskoelastische Flüssigkeit Zum Delfinhaut-Effekt Gedankenexperiment zur passiven Schwingungsdämpfung

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

29 Fischleim zur Wirbeldämpfung

30 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) Aus der Messung des Druckabfalls in einer Rohrströmung (über zwei Druck-bohrungen) errechnet sich unmittelbar die Rohreibung der Strömung 11,5 ppm Festsubstanz Barrakudaschleimwasser ergibt 62,5 % Widerstandsverminderung

31 Fallversuche zum Fischschleimeffekt
Bildet im Wasser Fadenmoleküle Fallversuche zum Fischschleimeffekt

32 a b c Versuch mit Polyäthylenoxid (künstlicher „Fischschleim“)
Zur Theorie: Fadenmoleküle dämpfen die Turbulenz. 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 U/min in einem Küchenmixer gerührt

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

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

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

36 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

37 Hypothese des Energietransfers
Die Energie, die den Molekülfaden zerreißt, wird von der Turbulenzintensität abgezogen

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

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

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

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

42 Die laminare Unterschicht
Grenzschicht-Geschwindigkeitsprofil turbulent laminar Die laminare Unterschicht

43 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

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

45 Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

46 Fastskin-Schwimmanzug der Firma

47 Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

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

49 Dämpfung der Schlingerbewegung durch Rillen (Riblets)
Streifenstruktur (= Schlingern) der Strömung während eines Wüstensturms Dämpfung der Schlingerbewegung durch Rillen (Riblets) Laterale Schwankungsgeschwindigkeit der turbulenten Strömung

50 Die Streifen sind Längswirbel
Längswirbelabstand Bedingung für die Schlingerdämpfung der Wirbel Abstand der Rillentäler  Abstand der Längswirbel

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

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

53 Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin

54 Anwendung des Pinguin-Effekts

55 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

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57 Zum Salvinia-Effekt Aus einer Pressemeldung
Das Salvinia-Blatt umgibt sich mit einer dauerhaft haltenden Lufthülle Aus einer Pressemeldung Salvinia -Effect Mit dem bionischen Bootslack ausgestattete Schiffe könnten dann in Zukunft in einer Hülle aus Luft durch das Wasser gleiten und so den Schiffsbau revolutionieren

58 Zum Salvinia-Effekt Zur (scheinbar) guten Idee, Luft auf einer vom Wasser überströmten Oberfläche festzuhalten Festgehaltener Luftfilm

59 Falsch ist die Annahme: Wasser schlittert über die Luft
Zum Salvinia-Effect Wasser Luft Richtig ist die Tatsache: Wasser klebt an der Luft und schleppt diese mit Das ist die Haftbedingung oder no-slip-Bedingung der Fluiddynamik

60 Zum Salvinia-Effect Luftfilm

61 Zum Salvinia-Effect Die stromab geschobene Luft müsste kontinuierlich nach vorn zurückgespeist werden

62 Wie lässt sich ein Luftfilm auf einer Oberfläche halten ?
Kapillar-Aszension hydrophile Wand hydrophobe Wand Kapillar-Depression Nicht durch eine Kapillar-Aszension, aber durch eine Kapillar-Depression Kapillar-Depression Luftfilm mit superhydrophober Kapillar-Depression W A S S E R L U F T

63 Ein Rohrwandstück, das durch Kapillar-Depressionen Luft festhält
Superhydrophobe Wände Das Experiment zeigt: Luft wird allmählich durch die Scherspannung herausgespült

64 Der Salvinia -Effect Wasser Rotierende Luft-Zellen Wasser- Tropfen
Nach W. Barthlott Rotierende Luft-Zellen Wasser- Tropfen Wasser wird an den Schneebesenspitzen „festgetackert“ Luft

65 Fachtagung “Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik”
3. – 5. September 2013, München SCHLEPPVERSUCHE AN KÜNSTLICHEN, LUFT HALTENDEN OBERFLÄCHEN ZUR REIBUNGSREDUKTION AM SCHIFF Die Messungen ergaben, dass durch die Beschichtung eines Versuchsprofils mit einer künstlichen, Luft haltenden Oberfläche, die Reibung des Profils im Wasser um rund 31 % gesenkt werden kann. Da durch die oben beschriebenen Eigenschaften der künstlichen, Luft haltenden Oberflächen noch keine dauerhafte Haltung der Luftschicht erfolgt, können zunächst nur drei Messungen bei einer Schleppgeschwindigkeit von 0,5 m/s erfolgreich durchgeführt werden. Bei höheren Geschwindigkeiten kommt es zu einem schnellen Abschwimmen der Luft, die Oberfläche wird von Wasser benetzt. Also handelt es sich bei den 31% um den Pinguin-Effekt!

66 Das Blatt der Salvinia schwimmt ruhend auf der Wasseroberfläche
Das Blatt der Salvinia schwimmt ruhend auf der Wasseroberfläche. Der Evolutionsbiologe würde fest-stellen: Das Lufthalten hat Vorteile. Wird das Blatt gewaltsam untergetaucht, schwimmt es schnell wieder auf. Sollte es nicht gleich aufschwimmen, kann es durch die mitgeführte Luft noch lange atmen. Es ist aber nicht erkennbar, weshalb die Evolution daran gearbeitet haben soll, den Strömungswider-stand zu minimieren (Der harte Bioniker interessiert sich aber dafür, was die Evolution „gewollt“ hat). Lufthalten allein reicht nicht! Es muss das Problem der lufthaltenden, rotierenden Luftzellen gelöst werden. Es wäre verwunderlich, wenn das Salvinia-Blatt dieses komplexe Problem gelöst haben sollte, um durch Verminderung der Strömungsreibung Energie zu sparen. Aber vielleicht findet sich noch ein Wassertier, dass die Lufthaltetechnik zur dauerhaften Verminderung des Strömungswiderstands evolutiv verwirklicht hat.

67 v x Haifischschuppen Fischschleim Pinguinkleid Delfinhaut
Thunfischform Pinguinform v x Instabilitätspunkt Umschlagpunkt Anwendungsbereiche der 5 biologischen Methoden zur Verminderung des Reibungswiderstands

68 Ende