Folie 1

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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 5. Vorlesung Bionik I
Widerstandsverminderung in der Natur
Wie schnelle Wassertiere
Energie sparen
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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
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Widerstand in Reinstform
Wirbel !!! nicht Turbulenz
a) Druck- oder Formwiderstand
Durch Stromlinienform reduzierbar
b) Reibungswiderstand
Das Problem ist der Reibungswiderstand
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Für den Reibungswiderstand gelten die Formeln
n wasser 110-6 m2/s
n luft 1510-6 m2/s
Kinematische Zähigkeit
Theorie Reibungswiderstand
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1
Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand
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Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten
ebenen Platte
U-Punkt
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Entdeckung von Osborne Reynolds (1883)
Osborne Reynolds (1862-1916)
Rohrströmung
laminar
turbulent
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6 d
Grenzschichtdicke d
Instabilitätspunkt Re 1,1105
Umschlagpunkt Re 3106
Schwingendes Band (Störung)
REYNOLDSzahl
Hitzdrahtanemometer
Phänomen Umschlag laminar/turbulent
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Widerstandsverminderung in der Natur
1. Laminarhaltung durch Beschleunigung der
Grenzschicht
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Die Theorie zeigt Ein bauchiges
Geschwin-digkeitsprofil stabilisiert die laminare
Grenzschicht
Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend
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Tunfisch-Form
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Pinguin-Form
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Tunfisch
Geschwindigkeitsverteilung
Pinguin
Laminarspindel Theorie
Delfin
Rumpfkörper in Biologie und Technik
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Facht Schwingung an
Dämpft Schwingung
Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper
T. Lutz, Stuttgart
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Widerstandsverminderung in der Natur
2. Laminarhaltung durch Dämpfung der TS-Wellen
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Delfin-Haut
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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.
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Literatur
M. O. Kramer Widerstandsverminderung mittels
künstlicher Delphinhaut. Jahrbuch der WGLR 1969.
Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970.
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Delfine überholen Ozeandampfer
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a 0,2 mm glatter Film
b 0,5 mm gummiartig
c 0,5 mm f lüssig / filzig
d ledrig
Interpretation der Hautschichten

1. Film für glatte Oberfläche

b) Elastische Membran
c) Flüssigkeits-Dämpfung
d) Schutzhaut
Aufbau einer Delfinhaut (nach M. O. KRAMER)
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M. O. Kramer
Technische Nachbildung der Delfinhaut
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Reibungswiderstand künstliche Delfinhaut
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Pendel
Viskoelastische Flüssigkeit
Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt
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Versuche zum Delfinhauteffekt am Institut für
Luft- und Raumfahrt an 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.
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Widerstandsverminderung in der Natur
3. Turbulenzdämpfung durch Fädchenmoleküle
(Fischschleim)
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Fischleim zur Wirbeldämpfung
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Reibungsmessungen in einer turbulenten
Rohrströmung mit Fischschleim angereichertem
Wasser
W. M. Rosen and N. E. Cornford (1971)
11,5 ppm Festsubstanz Barrakudaschleimwasser
ergibt 62,5 Widerstandsverminderung
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Fallversuche zum Fischschleimeffekt
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a
b
c
Versuch mit Polyäthylenoxid (künstlicher
Fischschleim)
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
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Turbulenzdämpfung durch fischschleimähnliche
Substanz in einer Kanalströmung (H Kanalhöhe)
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Mit Polyox
Ohne Polyox
Einsatz von Polyox bei der New Yorker Feuerwehr
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Schwimmbecken 25 m lang, 10 m breit, 2,5 m tief
3125 g Polyox 5 ppm
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Additivtechnik
Der Fisch sondert laufend Schleim ab (vielleicht
nur beim Jagen oder auf der Flucht) und hüllt
sich so in eine Additiv-Wolke ein
Adhäsionstechnik
Die Fadenmoleküle des Fischschleims haften an der
Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes
Molekülfell
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Widerstandsverminderung in der Natur
4. Turbulente Schlingerdämpfung durch Längsrillen
(Riblets)
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Wolf Ernst Reif 1945 - 2009
Schnell schwimmende Haie haben Längsrillen auf
ihren Schuppen
Hai-Schuppen
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Aufbau der Schuppen eines Hais
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Schuppen großer weißer Hai
Schuppen-Replikat Hammerhai
(Dietrich Bechert)
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S 3,5 d
?
BECHERTs Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal
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Grenzschicht-Geschwindigkeitsprofil
turbulent
laminar
Die laminare Unterschicht
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d
Dicke der laminaren Unterschicht
t w
lokale Wandschubspannung
Auslegung der Rillenfolie für ein Surfbrett
Gleitgeschwindigkeit v 5 m/s,
Lauflänge x 1 m,
n wasser 110-6 m2/s
d 0,028 mm
S 3,5 d 0,10 mm
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Die Stars Stripes gewinnt den Americas Cup
1987 mit einer Haifisch-Rillen-Oberfläche
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Reklame für einen bionischen Schwimmanzug
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Fastskin-Schwimmanzug der Firma
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Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen
Airbusflügel
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Riblets für Turbomaschinenschaufeln
Laser gefertigt (Laser-Zentrum Hannover)
Lackabdruck (Firma Holotools GmbH)
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Streifenstruktur ( Schlingern) der Strömung
während eines Wüstensturms
Dämpfung der Schlingerbewegung durch Rillen
(Riblets)
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Längswirbel
Längswirbelabstand
Bedingung für die Schlingerdämpfung der Wirbel
Abstand der Rillentäler ? Abstand der Längswirbel
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CFD-Rechnung
Computational Fluid Dynamics
Führung der Längswirbel in den Rillentälern
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Widerstandsverminderung in der Natur
5. Schwimmen in einem Schleier von Mikroblasen
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Mikroblasen-Schleier an einem schnell
schwimmenden Pinguin
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Anwendung des Pinguin-Effekts
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w Frequenz der strö-menden Luftbläschen
m Zähigkeit des Wassers

• w Wandschub-
• spannung am Messort

Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im
Wasser
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(No Transcript)
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Das Salvinia-Blatt umgibt sich mit einer
dauerhaft haltenden Lufthülle
Aus einer Pressemeldung

Salvinia -Effect
Mit dem bionischen Bootslack ausgestattete
Schiffe könnten dann in Zukunft in einer Hülle
aus Luft durch das Wasser gleiten und so den
Schiffsbau revolutionieren
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Zur (scheinbar) guten Idee, Luft auf einer vom
Wasser überströmten Oberfläche festzuhalten
Festgehaltener Luftfilm
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Falsch ist die Annahme Wasser schlittert über
die Luft
Wasser
Luft
Richtig ist die Tatsache Wasser klebt an der
Luft und schleppt diese mit
Das ist die Haftbedingung oder no-slip-Bedingung
der Fluiddynamik
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(No Transcript)
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Wie lässt sich ein Luftfilm auf einer Oberfläche
halten ?
Durch eine Kapillardepression
Hydrophile Wand
Hydrophobe Wand
Kapillaraszension
Kapillardepression
Superhydrophobe Wände
Die Luft wird durch die Scherspannung
herausgespült
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Wasser

Der Salvinia -Effect
Nach W. Barthlott
Luft-Zellen
Wasser- Tropfen
Wasser wird an den Schneebesenspitzen
festgetackert
Luft
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Das Blatt der Salvinia schwimmt ruhend auf der
Wasseroberfläche. Der Evolutionsbiologe würde
feststellen Das Lufthalten hat hier Vorteile. Es
aber ist nicht erkennbar, weshalb die Evolution
daran gearbeitet haben soll, den
Strömungswi-derstand zu minimieren (Der Bioniker
interessiert sich aber dafür, was die Evolution
gewollt hat).
So wäre es verwunderlich, wenn das Salvinia-Blatt
das komplexe Problem der Reibungsminderung zur
Energieeinsparung durch Luft-Wirbelzellen gelöst
haben würde.
Aber vielleicht findet sich noch ein Wassertier,
dass die Lufthaltetechnik durch eine
superhydrophobe Oberfläche durch Evolution
verwirklicht hat.
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Delfinhaut
Tunfischform Pinguinform
v
0
x
Instabilitätspunkt
Umschlagpunkt
Anwendungsbereiche der 5 biologischen Methoden
zur
Verminderung des Reibungswiderstands
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Ende
www.bionik.tu-berlin.de