Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik I Methoden der Widerstandverminderung in...

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“

Methoden der Widerstandverminderung in der Natur

Wie schnelle Wassertiere Energie sparen

Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

Fünf Methoden der Widerstandsverminderung

1. Tunfisch/Pinguin-Form zur Grenzschicht-Laminarerhaltung

2. Delfinhaut zur Dämpfung von laminaren Grenzschichtwellen

3. Fischschleim zur Dämpfung turbulenter Mikrowirbel

4. Haifisch-Schuppenrillen zur Minderung des Strömungsschlingerns

5. Pinguin-Federkleid als Luftspeicher zur Mikroblasen-Ejektion

a) Druck- oder Formwiderstand

b) Reibungswiderstand

Widerstand in Reinstform

xbvcWW fUnterseiteOberseite2

2

xfc

Re

328,1laminar

58,2)Re(log

455,0

xturbulentfc

xv

x Re

Für den Reibungsbeiwert gelten die Formeln:

Theorie – Reibungswiderstand

U-Pu

nkt

Theorie Reibungswiderstand

Mit dem Dickerwerden der Grenz-schicht stromab verringert sich die lokale Reibung. Der auf die Fläche bezogene Reibungsbeiwert sinkt.

vD

Dv

2300Re Dv

2300Re Dv

Entdeckung der laminaren und turbulenten Strömungsform durch Osborne Reynolds (1883)

Rohrströmung

v = 0 ,99 v0v 0

( )

x

x

InstabilitätspunktRe = 1,1·105

UmschlagpunktRe = 3·106

Schwingendes Band

Hitzdrahtanemometer

Phänomen: Umschlag laminar/turbulent

REYNOLDSzahl: xvRe

Eine beschleunigte Strömung macht ein Strömungsprofil konvexer und wirkt so stabilisierend

destabilisierend stabilisierend

Pinguin-Form

Tunfisch

Pinguin

Delfin

Rumpfkörper in Biologie und Technik

Laminarspindel Theorie

Geschwindigkeitsverteilung

0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1

R e = 5 106.

R e = 1 107.

R e = 1 108.

Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper

T. Lutz, Stuttgart

aftReibungskrraftTrägheitskRe

Delfin-Haut

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

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

M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut.

Jahrbuch der WGLR 1969. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970.

Literatur:

Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt

Pendel

Viskoelastische Flüssigkeit

Fischleim zur Wirbeldämpfung

BarrakudaBachforelle

SchwarzbarschHeilbutt

20

40

60

80

00 2010 30 40

Abgestreifter Schleim %

Wid

erst

ands

verm

ind

erun

g %

11,5 ppm (parts per million)Schleimsubstanz

Rosen/Cornford 1971

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

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 Fischschleieffekt

Fallkörper (400 m m lang, 20 m m ) Fallrohr (275 cm lang, 30 cm )

Rückho lfaden E lektrom agnet

Lichtschranken

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

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 Fädchenmoleküle des Fischschleims haften an der

Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes Molekülfell

Hai-Schuppen

0,5 mm

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

·*

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

Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

Aufbau der Schuppen eines Hais

Schuppen des großen weißen Hais

Genaue Imitation der Haischuppen (Reibungsverminderung 3,5%

Rippenstruktur der Federneines Kolibris

Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins

Schlingernde Strömungsstreifen (= Längswirbel) während eines Wüstensturms

Dämpfung der Schlingerbewegung

durch Rillen

Mikroblasen-Schl eier an einem schnell schwimmenden Pinguin

Eisscholle

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