B1-10Fo5 - Bionik TU
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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 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 Wirbel !!! nicht Turbulenz Widerstand in Reinstform Durch Stromlinienform reduzierbar a) Druck- oder Formwiderstand Das Problem ist der Reibungswiderstand b) Reibungswiderstand WOberseite WUnterseite cf Für den Reibungswiderstand gelten die Formeln: 1,328 cf laminar Rex 0,455 cf turbulent (log Rex )2,58 vx Rex 2 v 2b x wasser = 1·10-6 m2/s luft = 15·10-6 m2/s Kinematische Zähigkeit Theorie – Reibungswiderstand 1 2 Diese Platte hat den größeren Strömungswiderstand (c f )1 (c f )2 U-Punkt Reibungsbeiwert cf an einer längs angeströmten ebenen Platte Entdeckung von Osborne Reynolds (1883) Osborne Reynolds (1862-1916) Rohrströmung v v Kinematische Viskosität: laminar turbulent Wasser 1 106 m2 / s D D Re v D 2300 Re v D 2300 Honig 1 102 m2 / s 6 · TS-Wellen Tollmien-Schlichting-Wellen Grenzschichtdicke (x) v = 0,99 v0 v0 x Instabilitätspunkt Re = 1,1·105 Schwingendes Band (Störung) Hitzdrahtanemometer Umschlagpunkt Re = 3·106 REYNOLDSzahl: Re v x Phänomen: Umschlag laminar/turbulent Widerstandsverminderung in der Natur 1. Laminarhaltung durch Beschleunigung der Grenzschicht Die Theorie zeigt; Ein bauchiges Geschwindigkeitsprofil stabilisiert die laminare Grenzschicht Eine beschleunigte Strömung wirkt stabilisierend Tunfisch-Form Pinguin-Form Beschleunigte Strömung Tunfisch Geschwindigkeitsverteilung Pinguin 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Laminarspindel Theorie Delfin Rumpfkörper in Biologie und Technik Re = 5.106 Re = 1.107 Facht Schwingung an Re Trägheitskraft Reibungskraft Re = 1.108 Dämpft Schwingung Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper T. Lutz, Stuttgart Widerstandsverminderung in der Natur 2. Laminarhaltung durch Dämpfung der TS-Wellen Delfin-Haut 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 Schwimmgeschwindigkeiten 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. Literatur: M.O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Jahrbuch der WGLR 1969. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970. a: 0,2 mm glatter Film b: 0,5 mm gummiartig c: 0,5 mm flüssig/filzig d: ledrig Interpretation der Hautschichten: a) b) c) d) Film für glatte Oberfläche Elastische Membran Flüssigkeits-Dämpfung Schutzhaut Aufbau einer Delfinhaut (nach M. O. KRAMER) 0,5 mm 1,5 mm 1,0 mm 0,5 mm 1,0 2,0 Außenhaut Mittelschicht Innenhaut DämpfungsFlüssigkeit 1,8 mm M. O. Kramer Technische Nachbildung der Delfinhaut 10-2 8 6 cf 4 ar in m la 2 Bester Messwert von M. O. KRAMER für eine Federsteifigkeit der Haut von 220 N/cm2 turb ulen t 10-3 8 Kramer-Punkt 6 cf = 0,003 Re = 1,5·107 4 2 10-4 5 10 2 4 68 6 10 2 4 68 7 10 2 4 68 8 10 2 4 68 9 10 Rex vx 2 4 68 1010 Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut Pendel Viskoelastische Flüssigkeit Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt 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 TollmienSchlichting-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. Widerstandsverminderung in der Natur 3. Turbulenzdämpfung durch Fädchenmoleküle (Fischschleim) Fischleim zur Wirbeldämpfung Widerstandsverminderung % 80 Barrakuda Bachforelle 60 Heilbutt Reibungsmessungen in einer turbulenten Rohrströmung mit Fischschleim angereichertem Wasser Schwarzbarsch 40 W. M. Rosen and N. E. Cornford (1971) 20 0 0 10 20 30 40 Abgestreifter Schleim % 11,5 ppm Festsubstanz Barrakudaschleim ergibt 62,5 % Widerstandsverminderung Rückholfaden Elektromagnet Fallrohr (275 cm lang, 30 cm ) Fallkörper (400 mm lang, 20 mm ) 1,0 cw c w0 Fischschleim-Analog: Polyäthylenoxid 0,9 Re = 1,2 . 10 6 0,8 0,7 0 Lichtschranken 2 4 6 8 10 ppm 12 Fallversuche zum Fischschleimeffekt 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 uv u2 Wasser 20 PR 2850 50 ppm PR 2850 100 ppm -4 10 10 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 2 y/H 1 Turbulenzdämpfung durch fischschleimähnliche Substanz in einer Kanalströmung (H = Kanalhöhe) Mit Polyox Ohne Polyox Einsatz von Polyox bei der New Yorker Feuerwehr Schwimmbecken: 25 m lang, 10 m breit, 2,5 m tief 3125 g Polyox = 5 ppm 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 Widerstandsverminderung in der Natur 4. Turbulente Schlingerdämpfung durch Längsrillen (Riblets) Wolf Ernst Reif 1945 - 2009 Schnell schwimmende Haie haben Längsrillen auf ihren Schuppen Hai-Schuppen Aufbau der Schuppen eines Hais Schuppen großer weißer Hai Schuppen-Replikat Hammerhai (Dietrich Bechert) s w w0 60o 1 Säge-Rillen Säge-Rillen 0,98 0,96 0,94 s Trapez-Rillen s2 45o L- Rillen Trapez-Rillen 0,92 s s2 0,90 0 2 4 S = 3,5 · * s * 6 L- Rillen ? BECHERTs Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal GrenzschichtGeschwindigkeitsprofil turbulent laminar Die laminare Unterschicht * 5 w / 30 /v 9 / 10 x 1 / 10 *= Dicke der laminaren Unterschicht w = lokale Wandschubspannung Auslegung der Rillenfolie für ein Surfbrett Gleitgeschwindigkeit v = 5 m/s, Lauflänge x = 1 m, wasser = 1·10-6 m2/s * = 0,028 mm S = 3,5 · *= 0,10 mm 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) Rippenstruktur der Federn eines 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 CFD-Rechnung Computational Fluid Dynamics Führung der Längswirbel in den Rillentälern Widerstandsverminderung in der Natur 5. Schwimmen in einem Schleier von Mikroblasen Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin Schiffsbug mit ausgestoßenen Luftblasen 1,2 w w0 Messungen in technischen Kanälen 1,0 0,8 w = Frequenz der strö- 0,6 menden Luftbläschen 0,4 m = Zähigkeit des 0,2 Wassers w = Wandschubspannung am Messort 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 w Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser Ende www.bionik.tu-berlin.de
