Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik I Widerstandsverminderung in der Natur Wie...
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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“
Widerstandsverminderung in der Natur
Wie schnelle Wassertiere Energie sparen
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
a) Druck- oder Formwiderstand
b) Reibungswiderstand
Widerstand
in Reinstform
Durch Stromlinienform reduzierbar
Das Problem ist der Reibungswiderstand
Wirbel !!!nicht Turbulenz
xbvcWW fUnterseiteOberseite2
2
xfc
Re
328,1laminar
58,2)Re(log
455,0
xturbulentfc
xv
x Re
Für den Reibungswiderstand gelten die Formeln:
Theorie – Reibungswiderstand
Kinematische Zähigkeit
wasser = 1·10-6 m2/s
luft = 15·10-6 m2/s
Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand
1
2
21 )()( ff cc
U-Pu
nkt
Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten
ebenen Platte
vD
Dv
2300Re Dv
2300Re Dv
Entdeckung von Osborne Reynolds (1883)
Osborne Reynolds (1862-1916)Rohrströmung
laminar
turbulent
Kinematische Viskosität: smWasser /101 26 smHonig /101 22
v = 0 ,99 v0v 0
( )
x
x
InstabilitätspunktRe = 1,1·105
UmschlagpunktRe = 3·106
Schwingendes Band (Störung)
Hitzdrahtanemometer
Phänomen: Umschlag laminar/turbulent
REYNOLDSzahl: xvRe
TS-WellenTollmien-Schlichting-Wellen
6 ·
Grenzschichtdicke
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
Tunfisch-Form
Pinguin-Form
Tunfisch
Pinguin
Delfin
Rumpfkörper in Biologie und Technik
Laminarspindel Theorie
Geschwindigkeitsverteilung
0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1
Beschleunigte Strömung
R e = 5 106.
R e = 1 107.
R e = 1 108.
Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper
T. Lutz, Stuttgart
aftReibungskrraftTrägheitskRe
Facht Schwingung an
Dämpft Schwingung
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.
Jahrbuch der WGLR 1969. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970.
Literatur:
a: 0,2 mm glatter Film
b: 0,5 mm gummiartig
c: 0,5 mm f lüssig / filzig
d: ledrig
Aufbau einer Delfinhaut (nach M. O. KRAMER)
Interpretation der Hautschichten: a) Film für glatte Oberflächeb) Elastische Membranc) Flüssigkeits-Dämpfungd) Schutzhaut
Technische Nachbildung der Delfinhaut
0,5 mm
1,5 mm
1,0 mm
0,5 mm
Außenhaut
Innenhaut
Mittelschicht
Dämpfungs-Flüssigkeit
1,8 mm
1,0 2,0
M. O. Kramer
10
8
-2
10-3
10-4
6
4
2
105 106 107 108 109 1010
8
6
4
2
8642 8642 8642 8642 8642
laminar
turbulent
cf
vxRe x
Kramer-Punkt
Bester Messwert von M. O. KRAMER für eine Federsteifigkeit der
Haut von 220 N/cm2
c f = 0,003
Re = 1,5·107
Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut
Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt
Pendel
Viskoelastische Flüssigkeit
Versuche zum Delfinhauteffektam Institut für Luft- und Raumfahrtan 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.
Widerstandsverminderung in der Natur
3. Turbulenzdämpfung durch Fädchenmoleküle (Fischschleim)
Fischleim zur Wirbeldämpfung
BarrakudaBachforelle
SchwarzbarschHeilbutt
20
40
60
80
00 2010 30 40
Abgestreifter Schleim %
Wid
erst
ands
verm
ind
erun
g %
Reibungsmessungen in einer turbulenten Rohrströmung mit Fischschleim angereichertem Wasser
11,5 ppm Festsubstanz Barrakudaschleim ergibt 62,5 % Widerstandsverminderung
W. M. Rosen and N. E. Cornford (1971)
1,0
0,9
0,8
0,72 4 6 8 10 120 ppm
c wc w 0
R e = 1,2 . 10 6
Fischschleim -Analog: Polyäthylenoxid
Fallversuche zum Fischschleimeffekt
Fallkörper (400 m m lang, 20 m m ) Fallrohr (275 cm lang, 30 cm )
Rückho lfaden E lektrom agnet
Lichtschranken
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
a b c
Versuch mit Polyäthylenoxid (künstlicher „Fischschleim“)
Turbulenzdämpfung durch fischschleimähnliche Substanz in einer Kanalströmung (H = Kanalhöhe)
10
00 0,40,2 0,6 0,8 1
20
2uvu
- 410
y/ H2
Wasser
PR 2850 50 ppm
PR 2850 100 ppm
Einsatz von Polyox bei der New Yorker Feuerwehr
Ohne PolyoxMit Polyox
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
Die Fadenmoleküle des Fischschleims haften an der
Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes Molekülfell
Widerstandsverminderung in der Natur
4. Turbulente Schlingerdämpfung durch Längsrillen (Riblets)
Hai-Schuppen
Wolf Ernst Reif1945 - 2009
Schnell schwimmendeHaie haben Längsrillen
auf ihren Schuppen
Aufbau der Schuppen eines Hais
Schuppen großer weißer Hai
Schuppen-Replikat Hammerhai(Dietrich Bechert)
0 2 4 6
60o
45o
s
s
s 2
s
s
s 2
*
Säge-Rillen
Trapez-Rillen
L- Rillen
Säge-Rillen
Trapez-Rillen
L- Rillen
ww
0
0,96
0,98
0,94
0,92
0,90
1
BECHERTs Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal
S = 3,5
·* ?
Die laminare Unterschicht
Grenzschicht-Geschwindigkeitsprofil
laminar
turbulent
10/110/9* /30/
5 xvw
= lokale Wandschubspannungw
= Dicke der laminaren Unterschicht*
Auslegung der Rillenfolie für ein Surfbrett
Gleitgeschwindigkeit v = 5 m/s,
* = 0,028 mm
S = 3,5 ·*= 0,10 mm
Lauflänge x = 1 m, wasser = 1·10-6 m2/s
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 Federneines Kolibris
Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins
Streifenstruktur (= Schlingern) der Strömung während eines Wüstensturms
Dämpfung der Schlingerbewegung
durch Rillen (Riblets)
Längswirbel
Längswirbelabstand
Bedingung für die Schlingerdämpfung der Wirbel
Abstand der Rillentäler Abstand der Längswirbel
CFD-Rechnung
Führung der Längswirbel in den Rillentälern
Computational Fluid Dynamics
Widerstandsverminderung in der Natur
5. Schwimmen in einem Schleier von Mikroblasen
Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin
Schiffsbug mit ausgestoßenen Luftblasen
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,20
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
w
0
ww
M essungen in technischen Kanälen
Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser
= Frequenz der strö-menden Luftbläschen
= Zähigkeit des Wassers
w = Wandschub- spannung am Messort
Ende
www.bionik.tu-berlin.de