Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung „Bionik I“

Widerstandverminderung in der Natur

Wie schnelle Wassertiere Energie sparen

Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

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

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

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

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

Ein bauchiges Geschwin-digkeitsprofil stabilisiert die laminare Grenzschicht

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

Facht Schwingung an

Dämpft Schwingung

Widerstandsverminderung in der Natur

2. Laminarhaltung durch Dämpfung der TS-Wellen

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

Statische Rillenstruktur

Delfin

S. H. Ridgway and D. A. Carder 1993

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 Festsubtanz 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

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

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/s2

Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

Fastskin-Schwimmanzug der Firma

Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

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

CDF-Rechnung

Führung der Längswirbel in den Rillentälern

Widerstandsverminderung in der Natur

5. Schwimmen in einem Schleier von Mikroblasen

Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin

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