B1Fol4 - Bionik TU
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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 Widerstand in Reinstform a) Druck- oder Formwiderstand b) Reibungswiderstand WOberseite WUnterseite cf 2 v 2b x Für den Reibungsbeiwert gelten die Formeln: 1,328 cf laminar Rex 0,455 cf turbulent (log Rex )2,58 vx Rex Theorie – Reibungswiderstand Theorie Reibungswiderstand U-Punkt Mit dem Dickerwerden der Grenzschicht stromab verringert sich die lokale Reibung. Der auf die Fläche bezogene Reibungsbeiwert sinkt. v D Re v D 2300 Rohrströmung v D Re v D 2300 Entdeckung der laminaren und turbulenten Strömungsform durch Osborne Reynolds (1883) v = 0,99 v0 v0 x (x) Instabilitätspunkt Re = 1,1·105 Schwingendes Band Hitzdrahtanemometer Umschlagpunkt Re = 3·106 REYNOLDSzahl: Re v x Phänomen: Umschlag laminar/turbulent destabilisierend stabilisierend Eine beschleunigte Strömung macht ein Strömungsprofil konvexer und wirkt so stabilisierend Pinguin-Form Geschwindigkeitsverteilung Tunfisch 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 Re Trägheitskraft Reibungskraft Re = 1.108 Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper T. Lutz, Stuttgart Delfin-Haut 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 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 Literatur: M.O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Jahrbuch der WGLR 1969. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970. Pendel Viskoelastische Flüssigkeit Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt Fischleim zur Wirbeldämpfung Widerstandsverminderung % 80 Barrakuda Bachforelle 60 Heilbutt Schwarzbarsch 40 11,5 ppm (parts per million) Schleimsubstanz 20 Rosen/Cornford 1971 0 0 10 20 30 Abgestreifter Schleim % 40 a b c 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 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 Fischschleieffekt 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) 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 Fädchenmoleküle des Fischschleims haften an der Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes Molekülfell 0,5 mm Hai-Schuppen 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 * 6 L- Rillen S = 3,5 · * BECHERTs Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal * 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 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 Federn eines Kolibris Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins Schlingernde Strömungsstreifen (= Längswirbel) während eines Wüstensturms Dämpfung der Schlingerbewegung durch Rillen Eisscholle Mikroblasen-Schleier an einem schnell schwimmenden Pinguin 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
