Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“ Widerstandsverminderung in der...

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 Thunfisch- / Pinguin-Form2. 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(log455,0

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

Log-Skala !

U-Pu

nkt

Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten

ebenen Platte

Log-Skala !

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

Kleine Reibung

Große Reibung

laminar

turbulent

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

Thunfisch-Form

Pinguin-Form

Thunfisch

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 LuftschiffkörperT. Lutz, Stuttgart

aftReibungskrraftTrägheitskRe

Facht Schwingung an

Dämpft Schwingung

~v~v2

Widerstandsverminderung in der Natur

2. Laminarhaltung durch Dämpfung der TS-Wellen

Delfin-Haut

M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut.Jahrbuch der WGLR 1969. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970.

Literatur:

Delfine überholen Ozeandampfer

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.

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

86

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

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.

Aktiv nachgiebige Wand

Ergebnis: Messung der TS-Welle und aktive Erzeugung einer gegenläufigen Wandwelle am Aktuator-Feld dämpft die TS-Welle!

Aktive Erzeugung einer Gegenwelle?

Siehe Antilärm-Kopfhörer

Wirkprinzip einer anisotropen Wand

Isotrope nachgiebige Wand

Isotrope Wand: Form der Nachgiebigkeit unabhängig von der Strömungsrichtung

Anisotrope Wand: Form der Nachgiebigkeit ändert sich mit der Strömungsrichtung

Die anisotrope Nachgiebigkeit der Wand soll eine bessere passive Dämpfung von TS-Wellen ermöglichen

Passiv nachgiebige Wand

transversal longitudinal

Schnitt durch eine Delfinhaut (Foto V. Pavlov)

Zum Delfinhaut-Effekt

Pendel

Viskoelastische Flüssigkeit

Gedankenexperiment zur passiven Schwingungsdämpfung

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

inde

rung

%

Reibungsmessungen in einer turbulenten Rohrströmung mit Fischschleim angereichertem Wasser

11,5 ppm Festsubstanz Barrakudaschleimwasser 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

Hypothese des Energietransfers

Die Energie, die den Molekülfaden zerreißt, wird von der Turbulenzintensität abgezogen

Widerstandsverminderung in der Natur

4. Turbulente Schlingerdämpfung durch Längsrillen (Riblets)

Hai-Schuppen

Wolf Ernst Reif1945 - 2009

Schnell schwimmendeHaie haben Längsrillen

auf ihren Schuppen

Schuppen großer weißer Hai

Schuppen-Replikat Hammerhai(Dietrich Bechert)

0 2 4 6

60o

45o

s

ss 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)

Streifenstruktur (= Schlingern) der Strömung während eines Wüstensturms

Dämpfung der Schlingerbewegung

durch Rillen (Riblets)

Die Streifen sind 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

Anwendung des Pinguin-Effekts

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 Wassersw = Wandschub- spannung am Messort

Mit dem bionischen Bootslack ausgestattete Schiffe könnten dann in Zukunft in einer Hülle aus Luft durch das Wasser gleiten und so den Schiffsbau revolutionieren

Salvinia -Effect

Aus einer Pressemeldung

Das Salvinia-Blatt umgibt sich mit einer dauerhaft haltenden Lufthülle

®

Zum Salvinia-Effekt

Zur (scheinbar) guten Idee, Luft auf einer vom Wasser überströmten Oberfläche festzuhalten

Festgehaltener Luftfilm

Zum Salvinia-Effekt

Falsch ist die Annahme:Wasser schlittert über die Luft

Richtig ist die Tatsache:Wasser klebt an der Luft und schleppt diese mit

Das ist die Haftbedingung oder no-slip-Bedingung der Fluiddynamik

Wasser

Luft

Luftfilm

Die stromab geschobene Luft müsste kontinuierlich nach vorn zurückgespeist werden

Wie lässt sich ein Luftfilm aufeiner Oberfläche halten ?

Nicht durch eine Kapillar-Aszension,

aber durch eine Kapillar-Depression

Kapillar-Aszension

hydrophile Wand

Kapillar-Depression

hydrophobe Wand

Kapillar-Depression

Luftfilm mit superhydrophober Kapillar-Depression

W A S S E R

L U F T

Ein Rohrwandstück, das durch Kapillar-Depressionen Luft festhält

Superhydrophobe Wände

Luft wird allmählich durch die Scherspannung herausgespült

Das Experiment zeigt:

Wasser

Rotierende Luft-Zellen

Wasser- Tropfen

Luft

Wasser wird an den Schneebesenspitzen „festgetackert“

Der Salvinia -Effect®

Nach W. Barthlott

Das Blatt der Salvinia schwimmt ruhend auf der Wasseroberfläche. Der Evolutionsbiologe würde fest-stellen: Das Lufthalten hat Vorteile. Wird das Blatt gewaltsam untergetaucht, schwimmt es schnell wieder auf. Sollte es nicht gleich aufschwimmen, kann es durch die mitgeführte Luft noch lange atmen.

Aber vielleicht findet sich noch ein Wassertier, dass die Lufthaltetechnik zur dauerhaften Verminderung des Strömungswiderstands evolutiv verwirklicht hat.

Es ist aber nicht erkennbar, weshalb die Evolution daran gearbeitet haben soll, den Strömungswider-stand zu minimieren (Der harte Bioniker interessiert sich aber dafür, was die Evolution „gewollt“ hat).

Lufthalten allein reicht nicht! Es muss das Problem der lufthaltenden, rotierenden Luftzellen gelöst werden. Es wäre verwunderlich, wenn das Salvinia-Blatt dieses komplexe Problem gelöst haben sollte, um durch Verminderung der Strömungsreibung Energie zu sparen.

Instabilitätspunkt Umschlagpunkt

v0

x

Thunfischform Pinguinform

Delfinhaut

FischschleimHaifischschuppen

Pinguinkleid

Anwendungsbereiche der 5 biologischen Methoden zur Verminderung des Reibungswiderstands

Endewww.bionik.tu-berlin.de