Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“

Lokomotions-Techniken von Wassertieren

Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische

Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren

1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten

2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten

cw → Min

→ Max

Flossenpropeller - Forelle

Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel

0,15 s

2,6 m/s

Startbeschleunigung 5g

Nicht so …

sondern so

Wie entsteht der Schub einer Fischflosse

Auftrieb

Vortrieb durch Auftrieb

W

A

v

Auftriebstheorie von Heinrich Hertel

v

v

H. Hertel (1901–1982)

AuftriebSchub

Bei Vorwärtsbewegung

Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht

Schräganströmung durch Bewegung nach oben

Wirbeltheorie von W. Liebe

Umströmung der Flossenhinterkante

1

Ausbildung eines Hinterkantenwirbels

2

Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel

3

Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert

4

Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante

5

Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1

6

Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

Wirbel- Ringe

Wirbel- Spule

Wirbel- Faltblatt

Schub erzeugende Wirbelsysteme

Ringwirbelstraße einer Qualle

Nicht ganz richtig !

Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

Wirbelbild Delfinflosse

Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

King George IslandSouth Shetlands, Antarktis

Pinguin im Schwimmkanal

Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen

Beschleunigungssensoren

Kabel

Bildung eines Schub erzeugenden Wirbelrings

Wirbelring

1

2

3

Pinguin im Schwimmkanal

Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet

Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch

Schuberzeugung durch

eine Wirbelfaltstruktur

Schub Wirbelringe

CFD

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

?

Zurück zum technischen Propeller

Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers

Antriebsleistung: MLA

Vortriebsleistung:

Vortriebswirkungsgrad: )/(1

22

00

0

vvvvv

LL

PPA

V

0vSL V

0v Pv2

0 Pvv

S S

Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft

Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung

20 PvvS

Strömungspfropfen

Möglichst klein

Muskelkraftflugzeug

Hallenflugmodell

Große Luftschraube

→ kleine Luftbeschleunigung

→ hoher Wirkungsgrad

Die Caravelle

Erstes strahlgetriebenes Kurz- und Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960 – 1980)

Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit

sehr klein

Schaumschläger

Ein unmöglicher Antrieb

Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika

Der Trick der Natur

die Strömung an der

richtigen Stelle anzutreiben

Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand

Das Propeller-Sieb-Modell

Sieb

Propeller

Die 1 000 000-Euro-Frage:

Ist aus energetischer Sicht:

„a“ besser als „b“

„b“ besser als „a“

„a“ so gut wie „b“?

Das Propeller-Sieb-Modellvon Heinrich Hertel

Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden

v

b

v

a

Sieb

Sieb

Das Propeller-Sieb-Modellvon Heinrich Hertel

a

bFür cw = 0,5

vvvv

a

b

LL

S

2S

1

21

30,1a

b

LL

w

w

cc

a

b

LL

1111

0

0

0

Sieb

vv vS

vS

vPv0

0v

0

Schub des Propellers:

)()( 00

0 2 vvvv

FvvmS PP

PP

Widerstand des Siebes:

)()( 00

0 2 SS

SS vvvv

FvvmW

Bedingung für stationäre Bewegung:

WS 2

002 )(v

vvv SP

Erforderliche Propellerleistung:

20 Pvv

SL

dernebeneinan

2

0

0 212

)(vvSv S

v vS

vPv0

0

Bedingung: F = F = F S P

FS

FP

Schub des Propellers:

)()( 2 SPSP

SPP vvvv

FvvmS

Widerstand des Siebes:

)()( 00

0 2 SS

SS vvvv

FvvmW

Bedingung für stationäre Bewegung:

WS 10

vvP

Erforderliche Propellerleistung:

2PS vv

SL

nderhintereina

0

0 12 v

vvS S

v0 vS vP

FS FP

Bedingung: F = F = F S P

Leistungsverhältnis:

0

2

0

1

21

vv

vv

LL

S

S

)(nderHintereina

derNebeneinan

1,0 1,00

0.8 1,20

0,6 1,43

0,4 1,68

0,2 2.00

0 2,41

S 0 N Hv v L L

Nebeneinander

Test im Windkanal

und hintereinander

Propeller-Sieb-Modell

hat die Theorie bestätigt

Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum

Im Raum zurückgelassene Geschwindigkeiten

Anschauliche Interpretation des Ergebnisses

Integrale Antriebe in der Natur

Fisch

Vogel

Paramecium

Qualle

Manta

Aal

Nachlaufbeschleunigung: Verkehrsjet

(NASA-Studie)

Strömungseintritt und Beschleunigung

Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ?Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung übereinen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht

Ringwirbel

Helmholtzscher Wirbelsatz:

Es können nur entgegengesetzt drehende

Wirbelpaare existieren !

Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

Einstrom zwischenden Doppelwirbelringen

Wie lassen sich

abgebremste Strömungsteilchen

selektiv sammeln und beschleunigen ?

Wirbeltheorie von W. Liebe

Umströmung der Flossenhinterkante

1

Ausbildung eines Hinterkantenwirbels

2

Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel

3

Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert

4

Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante

5

Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1

6

Unterdruck

Zentrifugiertes Strömungsteilchen

Gebremstes Strömungsteilchen Reibfläche

Saugwirkung eines Wirbels

Durch fehlende Zentrifugalkraft wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt

Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel

Vortex Generatoren

Tusche

Lernen vom fliegenden Fisch

Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs

2

21

22

11 11121

v

vFF

vSL

v v

vv

1

2

F

F

1

2

Schub S

1

2

Für 12

vSL

„Pelican“

Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing

Spannweite 152 m, Länge 109 m

Reichweite 16 000 km bei einer Flughöhe von 6 m

Anstatt von der „nachgiebigen“ Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug vom „härteren“ Wasser abstoßen !

Der Schienenzepp

von Franz Kruckenberg

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

fuhr am 21. Juni 1931 in 98 Minuten von Hamburg-Bergedorf nach Berlin Spandau und hielt 24 Jahre den Geschwindigkeits-rekord von 230 km/h.

Ende

www.bionik.tu-berlin.de