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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Lokomotions-Techniken von...
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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
2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten
cw → Min
→ Max (100%)
Der biologische Propeller
Flossenpropeller - Forelle
Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel
0,15 s
2,6 m/s
Startbeschleunigung 5g
Startstellung
Nicht so …
sondern so
Wie entsteht der Schub einer Fischflosse
Auftrieb
3 Theorien
Schuberzeugung einer Fischflosse
Demonstration der Auftriebtheorie
Delfin schwimmt nach oben auf
Anstellwinkel
Schuberzeugung einer Fischflosse
Demonstration der Hertelschen Auftriebstheorie
Delfin schwimmt nach oben auf
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
(Hier Aufwärtsbewegung !)
Der Fisch möge senkrecht nach oben
schwimmen
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
Flexible Flosse,Ansicht von oben
Wolfgang Liebe1911 - 2005
Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme
Wirbel- Ringe
Wirbel- Spule
Wirbel- Faltblatt
Schub erzeugende Wirbelsysteme
Ringwirbelstraße einer Qualle
Nicht ganz richtig !Siehe weiter unten !
Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse
Wirbelbild Delfinflosse
Sieht aus wie eine Wirbelspule, aber zwischen eine Wirbelspule und einem Wirbelfaltblatt besteht kein funktioneller Unterschied
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
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 durcheine Wirbelfaltstruktur
Schub Wirbelringe
CFD
Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die Fahne an der Flossenspitze des Hais ?
?
Nature 430, 850 (19 August 2004)
C. D. Wilga & G. V. LauderBiomechanics: Hydrodynamic function of the shark's tail
Wirbelring im Wirbelring ?
Wozu bleibt ungeklärt
Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Thunfischs ?
Welchen (strömungstechnischen) Zweck haben die Nasenbuckel an der Flossenvorderkante des Buckelwals ?
Zackenband
Nasenbuckel
CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenbuckel
DLR-Hubschrauber Bo-105
Pressemeldung: Buckelwal macht Hubschrauber wendiger
Buckelwal
Flossenboote
Ist die Flosse besser als ein Propeller ?
Zurück zum technischen Propeller
Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers
Antriebsleistung: MLA
Vortriebsleistung:
Vortriebswirkungsgrad: )/(122
000
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 CaravelleErstes 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
Strahlantrieb ein Fährschiffes
Der Trick der Natur
die Strömung an der
richtigen Stelle anzutreiben
Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand
Das Propeller-Sieb-Modell
Sieb
Propeller
Modell für gleichmäßige Strömungsabbremsung
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-Modell
von 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
ab
LL
S
2S
121
30,1a
bLL
w
wcc
a
bLL
1111
0
0
0
Sieb
vv vS
vS
vPv0
0v
0
Schub des Propellers:
)()( 00
0 2 vvvvFvvmS PP
PP
Widerstand des Siebes:
)()( 00
0 2 SS
SS vvvvFvvmW
Bedingung für stationäre Bewegung:
WS 2
002 )(v
vvv SP
Erforderliche Propellerleistung:
20 PvvSL
dernebeneinan
2
00 212 )(v
vSv S
v vS
vPv0
0Bedingung: F = F = F S P
FS
FP
Impulssatz der Strömungslehre
Impulssatz der Strömungslehre
Schub des Propellers:
)()( 2 SPSP
SPP vvvvFvvmS
Widerstand des Siebes:
)()( 00
0 2 SS
SS vvvvFvvmW
Bedingung für stationäre Bewegung:
WS 10
vvP
Erforderliche Propellerleistung:
2PS vvSL
nderhintereina
0
0 12 vvvS S
v0 vS vP
FS FP
Bedingung: F = F = F S P
Impulssatz der Strömungslehre
Impulssatz der Strömungslehre
Leistungsverhältnis:
0
2
0
1
21
vv
vv
LL
S
S
)(nderHintereina
derNebeneinan
1,0 1,000.8 1,200,6 1,430,4 1,680,2 2.000 2,41
S 0 N Hv v L L
Henrich Focke gegen Heinrich Hertel
Das geht nicht Das geht
Nebeneinander
Test im Windkanal
und hintereinander
Propeller-Sieb-Modell
hat die Theorie bestätigt
Propeller Strahl
Sieb NachlaufVerluste
nergie
Keine b
eweg
te Luft
Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum
Integrale Antriebe in der Natur
Fisch
Vogel
Paramecium
Qualle
Manta
Aal
Vision: Flugzeug mit Integralantrieb
Nachlaufbeschleunigung
(NASA-Studie)
Distributed Propulsion
US Patent: US8286909 B2
Erfinder: Yee-Chun Lee
Veröffentlichungsdatum 16 Okt. 2012Grenzschichtantrieb Luftschiff
Grenzschicht = Abgebremste Strömungsteilchen werden wieder beschleunigt
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 Zentrifugalwirkung wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt
Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel
Vortex Generatoren
Tusche
Randwirbel
Angestellter Tragflügel
Lernen vom fliegenden Fisch
Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs
Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs
2
21
2211 1112
1vv
FFvSL
v v
vv
1
2
F
F
1
2
Schub S
1
2
Für 12
vSL
Zur abgeleiteten Formel
Vortriebswirkungsgrad = 1
Prototyp "Seafalcon": Ende Oktober 2006 wurde das sogenannte Bodeneffekt-Fahrzeug erstmals zu Wasser gelassen. Mit der Technik kann das Gefährt übers Wasser fliegen.
Anstatt von der „nachgiebigen“ Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug besser vom „härteren“ Wasser abstoßen !
schlecht
Vorteile eines Bodeneffektflugzeugs
1. Größerer Auftrieb eines Flügels in Bodennähe
2. Kleinerer Widerstand der Randwirbel durch einen Spiegelungseffekt
„Pelican“
Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing
Spannweite 152 m, Länge 109 mReichweite 16 000 km bei einer Flughöhe von 6 m
Der Schienenzeppvon 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.
Das Triebwerk „Qualle“
Der pulsierende Quallenschlag erzeugt Ringwirbel
Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
aber so ist es nicht,
So könnte es hinter einer Qualle zwar aussehen. Die Drehfelder der Wirbelele-mente löschen sich in
gegenseitig aus.
Die Strömung im Inneren der Ringwirbel wird
beschleunigt !
Strömungseintritt und Beschleunigung
Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ?Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung übereinen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht
Ringwirbel
Durch den pulsierend zuckenden Quallenschlag
bilden sich zwei dicht beein-ander liegende Ringwirbel,
die sich gegenläufig drehen !
sondern so
Strömung tritt seitwärts ein
Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
Einstrom zwischenden Doppelwirbelringen
So funktioniert also die Qualle
Endewww.bionik.tu-berlin.de
Ich wünsche Ihnen einen guten Flug in das Jahr 2015
Schub des Propellers:
)()( 00
0 2 vvvvFvvmS PP
PP
Widerstand des Siebes:
)()( 00
0 2 SS
SS vvvvFvvmW
Bedingung für stationäre Bewegung:
WS 2
002 )(v
vvv SP
Erforderliche Propellerleistung:
20 PvvSL
dernebeneinan
2
00 212 )(v
vSv S
v vS
vPv0
0Bedingung: F = F = F S P
FS
FP
Impulssatz der Strömungslehre
Impulssatz der Strömungslehre