Vogelflug Bildungsdepartement St. Gallen, Schulversuche zur Bionik - Strömung; 14.05.2011.
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung Bionik I Vorbild Vogelflug Evolution...
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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“
Vorbild Vogelflug
Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Dädalus und Ikarus
Vorbild „Vogel“
Otto Lilienthal (1848-1896)
Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges führten zum ersten erfolgreichen Flug
des Menschen
Otto Lilienthal am 16. August 1894:
Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden
Rumpf mittig !Flügel vorn !Leitwerk hinten !
Lösung der Ingenieure nach 100 Jahren Flugzeugentwicklung
Lösung der biologischen Evolution
Seeschwalbe
Fot
o: I
ngo
Rec
henb
erg
Seeschwalbe
Fot
o: I
ngo
Rec
henb
erg
Dornier Do 328
Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker
Das Flugzeug ist noch immer
Gegenstand bionischer Forschung
Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung
Denn:
Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
?Energieersparnis
Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug
Randwirbel an einer F 18 Hornet
Wie entsteht Auftrieb
an einem Tragflügelprofil ?
2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung).
1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein.
Dagegen spricht:
Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb, obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !
Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?
Unterdruck
Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf der Profiloberseite die notwendige Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten Bewegungsbahn zu halten.
ZentrifugalwirkungZentripetalkraft
Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung
Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 !
Mathematische Strömung Potentialwirbel
Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb !
Geschwindigkeitsfeld
rrv
2)(
Formel von Kutta/Joukowski
bvA
Ar v
FlügelspannweiteZirkulation
v
Kutta Joukowski
Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel
AnfahrwirbelZirkulation
Warum bildet sich ein Zirkulationswirbel ?
Der abschwimmende Anfahrwirbel kann allein nicht existieren. Sein Drehgeschwindigkeitsfeld würde einen unendlichen Energieinhalt besitzen. Es muss ein gleich starker Gegenwirbel entstehen, damit sich die Geschwindigkeiten im Unendlichen auslöschen. Der Gegenwirbel ist der Zirkulationswirbel .
rrv
2)(
Auftriebs-Strahl
!Randwirbel erzeugt Auftriebsstrahl
Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben !
Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand.
22 iW
22
2
2 bv
AWi
Nach Ludwig Prandtl
Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.
Ludwig Prandtl (1875-1953)
Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen
A
b
Abwind
22
2
2 bv
AWi
A
b
Längsauftrennung des Flügels
A
22
2
2 bv
AW i
b
A 2
22
2
2 bv
AW i
1 4
b
A 2
22
2
2 bv
AW i
1 4
b
Der Doppeldecker-Trick halbiert den RandwiderstandVorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel
Multidecker von Horatio F. Philipps (1904)
A
22
2
2 bv
AW i
b
A 2
b
A 2
b
22
2
2 bv
AW i
4
Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand
Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
Randwirbel am Normalflügel
Randwirbel am Spreizflügel
Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule
Siehe Vorlesung „Berwian“
Doppeldeckertrick oder
Wirbelspulenprinzip
Zwei Deutungen des
Spreizflügeleffekts
Nachevolution im Windkanal (Neobionik)
Neue Generation
ca- cw- Messung
Flexible Bleistreifen
Nachkommen realisieren
Eltern eingeben
Nachkommen bewerten 2
3
w
a
cc
Generation
0
3
6
9
1215
18
21
24
27
Evolution eines Spreizflügels im Windkanal
Spreizflügel
versus
Normalflügel
W iders tandsbe iw ert
Auftr
iebs
beiw
ert
0 ,1 0,2 0,300
0,4
0,8
1,2
S treckung = 3 ,8
cw
c a
0188,0min
3
2
a
w
cc
0216,0min
3
2
a
w
cc
Diplomarbeit: Michael Stache
Was gewinnt der Vogel
durch aufgespreizte Flügelenden ?
Evolutions-
Wettkampf
? ?Zeit:Zeit:
1000
m
a b
Für den Vogel ohne Spreizung 0216,0min
3
2
a
w
c
c
Wir erhalten aus dem Polardiagramm
Für den Vogel mit Spreizung 0188,0min
3
2
a
w
c
c
m/s 23,1sink v
m/s 15,1sink v
Formel für die Sinkgeschwindigkeit
3
2
sink2
a
w
c
cFGgv
G = 0,8 kg F = 0,2 m2
g = 9,81 m/s2 = 1,1 kg/m3
Daten für Bussard
Evolutions- Wettkampf
13 min 33 sec 14 min 30 secZeit:Zeit:
1000
m
a b
Vorstufe des Spreizflügels des Vogels
Winglets
Boeing C-17 A Globemaster III
Winglets am
Segelflugzeug
Doppelwinglets MD 11 (Boeing)
Auf dem Weg
Dreifach-Winglets (Antonov)
zum Vogelflügel
Doppelwinglets:
Arava IAI 202 (1977)
Auf dem Weg zum Vogelflügel
Aus dem Internet
a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero
b) "Winggrid" eines Kondors
c) Motorsegler Stemme S10
Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der Wirbelzöpfe
d)
Winggrids
Auf dem Weg zum
Vogelflügel
Lang gezogene Wirbelspule
Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug
Fot
o: M
icha
el S
tach
e
32
34
36
38
40
42
80 90 100 110 120 130 140
Geschwindigkeit [km/h]
Gle
itza
hl
Rundbögen (GPS)
Multiwinglets (GPS)
Gle
itza
hl42
40
38
36
32
34
80 90 100 110 120 130 140G eschw indigkeit [km /h ]
DGPS-M essung: Eva Sunkomat R undbögenM u ltiw ing le ts
Flugmessungen an einem Segelflugzeug
Vom gespreizten
Vogelflügel
Schlaufenflügel
zum
Patent von Louis B. Gratzer
Flügelunterseite wird zur Oberseite (Möbius-Band)
Die abnehmende Flügeltiefe muss man sich in kleinen Stufen realisiert vorstellen
zunehmende Wirbelaufspaltung
Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe
Schlaufenflügel (spiroid wing)
Studenten-Praktikum am Storchenflügel
Flugzeugabsturz
Die wahrscheinliche Unglücksursache lag in dem Unvermögen der Flugbe-satzung, die Aktivierung des Stick Shaker als unmittelbare Warnung für den Übergang in den überzogenen Flugzustand zu erkennen und die Unfähigkeit, die entsprechenden Verfahren zur Behebung dieses Flugzustandes durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die Warnung für die Überschreitung der maximalen Geschwindigkeit zur Verwirrung der Besatzung geführt.
Absturz durch Strömungsablösung
Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995
Birgenair-Flug 301 – Absturz am 9. Februar 1996 bei Puerto Plata in den Atlantik
Aus dem Untersuchungsbericht
Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug
c
Strömungsablösungund Flugzeugabsturz
a c
?
a
Ideales Profilfür die F lugsicherheit
? ? ?
Braun-Skua
in der Antarktis
Entstehung einer Ablösung
Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durchReibung abgebremst. Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog ankämpfenmuss, kommt am Punkt A zum Stillstand. A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt.
A
B
Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö-mungsteilchen (Bernoulli !) dem Sog des Unterdrucks. Ist die wandnahe Strömung mit klei-nen Wirbeln durchsetzt (Turbulenz), kann durch den Eintrag energiereicher Strömungsteil-chen aus der wandfernen Region die Ablösung hinausgezögert werden. Wird die Anstellung des Flügels weiter erhöht, tritt auch bei turbulenter Grenzschichtströmung Ablösung auf.
Wichtig !!!!!!!
Wanderung der Ablösung
zum Druckminimum
Zusammenbruch des Auftriebs
Bremsung der Ablösung
durch eine Deckfeder
!
Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt.
Braun-Skua
? ? ?Rückstromtaschen
Braun-Skua
Anordnung der Deckfedern
Dreifache Rückstrombremsung
Braun-Skua: Ablösekontrolle
Der Deckfeder-Effekt0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
cA
uftr
iebs
beiw
ert
A nste llw inkel
1000
20 30 40o o o o o
Flügel m it künstlichen Deckfedern
R e = 130 000
a
Rückstrombremsen an einem Flugmodell
Janosch Huser
Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?
Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche (Alulae)“
These: Randwirbel, der als Grenzschichtzaun fungiert
Profilnase - Skua
Angriff - Hochziehende Skua
Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“
Ende
www.bionik.tu-berlin.de