Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Lokomotions-Techniken von...

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