PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“ Methoden der Widerstandverminderung in der Natur Wie schnelle Wassertiere Energie sparen Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Fünf Methoden der Widerstandsverminderung
1. Tunfisch/Pinguin-Form zur Grenzschicht-Laminarerhaltung 2. Delfinhaut zur Dämpfung von laminaren Grenzschichtwellen 3. Fischschleim zur Dämpfung turbulenter Mikrowirbel 4. Haifisch-Schuppenrillen zur Minderung des Strömungsschlingerns 5. Pinguin-Federkleid als Luftspeicher zur Mikroblasen-Ejektion

3 Widerstand in Reinstform
a) Druck- oder Formwiderstand b) Reibungswiderstand

4 Theorie – Reibungswiderstand
Für den Reibungsbeiwert gelten die Formeln: Theorie – Reibungswiderstand

5 Theorie Reibungswiderstand
Mit dem Dickerwerden der Grenz-schicht stromab verringert sich die lokale Reibung. Der auf die Fläche bezogene Reibungsbeiwert sinkt. U-Punkt

6 Rohrströmung Entdeckung der laminaren und turbulenten Strömungsform durch Osborne Reynolds (1883)

7 Phänomen: Umschlag laminar/turbulent
Instabilitätspunkt Re = 1,1·105 Umschlagpunkt Re = 3·106 Schwingendes Band REYNOLDSzahl: Hitzdrahtanemometer Phänomen: Umschlag laminar/turbulent

8 destabilisierend stabilisierend Eine beschleunigte Strömung macht ein Strömungsprofil konvexer und wirkt so stabilisierend

9 Pinguin-Form

10 Rumpfkörper in Biologie und Technik
Geschwindigkeitsverteilung Tunfisch Pinguin Laminarspindel Theorie Delfin Rumpfkörper in Biologie und Technik

11 Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper
T. Lutz, Stuttgart

12 Delfin-Haut

13 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)

14 Technische Nachbildung der Delfinhaut

15 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

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

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

18 Fischleim zur Wirbeldämpfung

19 11,5 ppm (parts per million) Schleimsubstanz Rosen/Cornford 1971

20 a b c 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

21 Fallversuche zum Fischschleieffekt

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

23 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 Fädchenmoleküle des Fischschleims haften an der Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes Molekülfell

24 0,5 mm Hai-Schuppen

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

26 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

27 Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

28 Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

29 Aufbau der Schuppen eines Hais

30 Schuppen des großen weißen Hais
Genaue Imitation der Haischuppen (Reibungsverminderung 3,5%

31 Rippenstruktur der Federn
eines Kolibris Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins

32 Schlingernde Strömungsstreifen (= Längswirbel) während eines Wüstensturms
Dämpfung der Schlingerbewegung durch Rillen

33 Mikroblasen-Schl eier an einem schnell schwimmenden Pinguin
Eisscholle Mikroblasen-Schl eier an einem schnell schwimmenden Pinguin

34 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

35 Ende