Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik I Widerstandsverminderung in der Natur Wie...

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