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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