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 Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 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

3 Widerstand in Reinstform a) Druck- oder Formwiderstand
Durch Stromlinienform reduzierbar b) Reibungswiderstand Das Problem ist der Reibungswiderstand

4 Theorie – Reibungswiderstand
Für den Reibungswiderstand gelten die Formeln: Kinematische Zähigkeit Theorie – Reibungswiderstand

5 Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand

6 Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten ebenen Platte
U-Punkt

7 Entdeckung von Osborne Reynolds (1883)
Rohrströmung laminar turbulent

8 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

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

10 Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend
Ein bauchiges Geschwin-digkeitsprofil stabilisiert die laminare Grenzschicht Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend

11 Tunfisch-Form

12 Pinguin-Form

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

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

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

16 Delfin-Haut

17 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.

18 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)

19 Technische Nachbildung der Delfinhaut

20 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

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

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

23 Statische Rillenstruktur
Delfin Statische Rillenstruktur S. H. Ridgway and D. A. Carder 1993

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

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

26 Fischleim zur Wirbeldämpfung

27 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

28 Fallversuche zum Fischschleimeffekt

29 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

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

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

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

33 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

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

35 Hai-Schuppen

36 Aufbau der Schuppen eines Hais

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

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

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

40 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/s2 d * = 0,028 mm S = 3,5 ·d *= 0,10 mm

41 Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

42 Fastskin-Schwimmanzug der Firma

43 Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

44 Mit Lasertechnik gefertigte Riblets für Turbomaschinenschaufeln
Laser-Zentrum Hannover Mit Lasertechnik gefertigte Riblets für Turbomaschinenschaufeln

45 Rippenstruktur der Federn
eines Kolibris Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins

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

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

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

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

50 Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin

51 Schiffsbug mit ausgestoßenen Luftblasen

52 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

53 Ende