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Ingo Rechenberg. PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“. Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische. Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren. 1 . Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten.

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Presentation Transcript
slide1

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“

Lokomotions-Techniken von Wassertieren

Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische

slide2

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%)

slide4

Startbeschleunigung 5g

Startstellung

2,6 m/s

0,15 s

Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel

slide5

Wie entsteht der Schub einer Fischflosse

Auftrieb

Nicht so …

sondern so

3 Theorien

slide6

Delfin schwimmt nach oben

Schuberzeugung einer Fischflosse

Demonstration der Auftriebtheorie

Anstellwinkel

slide7

Delfin schwimmt nach oben

Schuberzeugung einer Fischflosse

Demonstration der Hertelschen

Auftriebstheorie

slide8

H. Hertel (1901–1982)

v

A

Auftriebstheorie von Heinrich Hertel

v

v

W

Vortrieb durch Auftrieb

slide9

Schub

Auftrieb

Schräganströmung durch Bewegung nach oben

Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht

Bei Vorwärtsbewegung

(Hier Aufwärtsbewegung!)

slide10

1

2

3

Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel

Ausbildung eines Hinterkantenwirbels

Umströmung der Flossenhinterkante

6

4

5

Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1

Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert

Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante

Wolfgang Liebe

1911 - 2005

Wirbeltheorie von W. Liebe

Flexible Flosse,

Ansicht von oben

slide12

Wirbel- Ringe

Schub erzeugende Wirbelsysteme

Wirbel- Spule

Wirbel- Faltblatt

slide13

Nicht ganz richtig !

Siehe weiter unten !

Ringwirbelstraße einer Qualle

slide14

Strömungsbeschleunigung durch

eine Wirbelfaltblattstruktur hinter

einer schlagenden Flosse

slide15

?

Wirbelbild Delfinflosse

Wirbelspule ?

slide17

Beschleunigungssensoren

Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen

Kabel

Pinguin im Schwimmkanal

King George Island

South Shetlands, Antarktis

slide18

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

slide19

Schub

Wirbelringe

CFD

Schuberzeugung durch

eine Wirbelfaltstruktur

slide20

?

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

slide21

Wirbelring im Wirbelring ?

Nature430, 850 (19 August 2004)

C. D. Wilga & G. V. Lauder

Biomechanics:  Hydrodynamic function of the shark's tail

slide22

Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Tunfischs ?

Zackenband

Nasenbuckel

Welchen (strömungstechnischen) Zweck haben die Nasenbuckel an der Flossenvorderkante des Buckelwals ?

slide23

DLR-Hubschrauber Bo-105

Buckelwal

Pressemeldung: Buckelwal macht Hubschrauber wendiger

a

CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenbuckel

slide24

Flossenboote

Ist die Flosse besser als ein Propeller ?

slide26

Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung

Strömungspfropfen

S

S

Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft

Vortriebsleistung:

Antriebsleistung:

Vortriebswirkungsgrad:

Möglichst klein

Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers

slide27

Muskelkraftflugzeug

Hallenflugmodell

Große Luftschraube

→ kleine Luftbeschleunigung

→ hoher Wirkungsgrad

slide28

hsehr klein

Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit

Die Caravelle

ErstesstrahlgetriebenesKurz-undMittelstrecken-VerkehrsflugzeugderWelt (1960–1980)

slide29

Strahlantrieb ein Fährschiffes

Schaumschläger

Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika

Ein unmöglicher Antrieb

slide30

Der Trick der Natur

die Strömung an der

richtigen Stelle anzutreiben

Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand

slide31

Propeller

Modell für gleichmäßige Strömungsabbremsung

Sieb

Das Propeller-Sieb-Modell

slide32

b

a

v

Sieb

v

Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden

Die 1000000-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

slide33

L

b

=

1

,

30

L

a

c

+

+

1

1

L

b

w

=

c

L

+

-

1

1

a

w

Sieb

a

v

2

æ

ö

v

v

v

-

2

+

1

ç

÷

0

0

S

S

v

L

è

ø

0

=

b

v

L

+

1

S

a

v

0

Fürcw= 0,5

v

v

b

0

P

Das Propeller-Sieb-Modell

von Heinrich Hertel

v

v

0

S

slide34

F

F

S

P

Schub des Propellers:

Impulssatz der Strömungslehre

v

v

0

P

Widerstand des Siebes:

Impulssatz der Strömungslehre

Bedingung für stationäre Bewegung:

v

v

0

S

Bedingung: F= F = F

P

S

Erforderliche Propellerleistung:

slide35

F

P

F

Schub des Propellers:

S

Impulssatz der Strömungslehre

Widerstand des Siebes:

Impulssatz der Strömungslehre

v0

vP

vS

Bedingung: F= F = F

P

S

Bedingung für stationäre Bewegung:

Erforderliche Propellerleistung:

slide37

Propeller-Sieb-Modell

Nebeneinander

und hintereinander

Test im Windkanal

hat die Theorie bestätigt

slide38

Propeller Strahl

Verlustenergie

Sieb Nachlauf

Keine bewegte Luft

Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum

slide39

Integrale Antriebe in der Natur

Vogel

Fisch

Paramecium

Aal

Qualle

Manta

slide42

Distributed

Propulsion

slide43

Helmholtzscher Wirbelsatz:

Es können nur entgegengesetzt drehende Wirbelpaare existieren !

Strömungseintritt und Beschleunigung

Ringwirbel

Die Qualle: Ein ideales Triebwerk?

Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung über

einen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht

slide44

nicht so

Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

slide45

Einstrom zwischen

den Doppelwirbelringen

sondern so

Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

slide46

Wie lassen sich

abgebremste Strömungsteilchen

selektiv sammeln und beschleunigen ?

slide47

1

2

3

Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel

Ausbildung eines Hinterkantenwirbels

Umströmung der Flossenhinterkante

6

4

5

Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1

Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert

Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante

Wirbeltheorie von W. Liebe

slide48

Unterdruck

Zentrifugiertes Strömungsteilchen

Saugwirkung eines Wirbels

Gebremstes Strömungsteilchen

Reibfläche

Durch fehlende Zentrifugalwirkung wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt

slide49

Tusche

Vortex Generatoren

Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel

Angestellter Tragflügel

Randwirbel

slide52

Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs

Schub S

Für

Vortriebswirkungsgrad = 1

Zur abgeleiteten Formel

slide53

schlecht

Prototyp "Seafalcon": Ende Oktober 2006 wurde das sogenannte Bodeneffekt-Fahrzeug erstmals zu Wasser gelassen. Mit der Technik kann das Gefährt übers Wasser fliegen.

Anstattvonder„nachgiebigen“LuftsolltesichdasBodeneffekt-Flugzeug besser vom„härteren“Wasserabstoßen !

slide54

Vorteile eines Bodeneffektflugzeugs

1. Größerer Auftrieb eines Flügels in Bodennähe

2. Kleinerer Widerstand der Randwirbel durch

einen Spiegelungseffekt

slide55

„Pelican“

Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing

Spannweite 152m, Länge 109m

Reichweite 16000 km bei einer Flughöhe von 6m

slide56

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 230km/h.

Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden !

slide58

F

F

S

P

Schub des Propellers:

Impulssatz der Strömungslehre

v

v

0

P

Widerstand des Siebes:

Impulssatz der Strömungslehre

Bedingung für stationäre Bewegung:

v

v

0

S

Bedingung: F= F = F

P

S

Erforderliche Propellerleistung: