Folie 1

1
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I
Lokomotions-Techniken von Wassertieren
Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender
Fische
2
Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen
Wassertieren
1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich
halten
cw ? Min
2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten
h ? Max (100)
3
Flossenpropeller - Forelle
4
Startbeschleunigung 5g
Startstellung
2,6 m/s
0,15 s
Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel
5
Wie entsteht der Schub einer Fischflosse
Auftrieb
Nicht so
sondern so
3 Theorien
6
Delfin schwimmt nach oben
Schuberzeugung einer Fischflosse
Demonstration der Auftriebtheorie
Anstellwinkel
7
Delfin schwimmt nach oben
Schuberzeugung einer Fischflosse
Demonstration der Hertelschen
Auftriebstheorie
8
v
A
Auftriebstheorie von Heinrich Hertel
v
v
W
Vortrieb durch Auftrieb
9
Schub
Auftrieb
Schräganströmung durch Bewegung nach oben
Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb
entsteht
Bei Vorwärtsbewegung
(Hier Aufwärtsbewegung !)
10
Wolfgang Liebe 1911 - 2005
Wirbeltheorie von W. Liebe
Flexible Flosse, Ansicht von oben
11
Moderne Theorie Schub durch Ringwirbelsysteme
12
Wirbel- Ringe
Schub erzeugende Wirbelsysteme
Wirbel- Spule
Wirbel- Faltblatt
13
Nicht ganz richtig !
Siehe weiter unten !
Ringwirbelstraße einer Qualle
14
Strömungsbeschleunigung durch eine
Wirbelfaltblattstruktur hinter
einer schlagenden Flosse
15
?
Wirbelbild Delfinflosse
Wirbelspule ?
16
Forschungshütte der Bionik und
Evolutionstechnik in der Antarktis
17
Die Messwerte werden über das vom Pinguin
hinterher gezogene Kabel übertragen
Kabel
Pinguin im Schwimmkanal
King George Island South Shetlands, Antarktis
18
1
Pinguin im Schwimmkanal
Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen
dünnen Plastikschlauch
2
Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet
Wirbelring
3
Bildung eines Schub erzeugenden
Wirbelrings
19
Schub
Wirbelringe
CFD
Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur
20
?
Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die
Fahne an der Flossenspitze des Hais ?
21
Wirbelring im Wirbelring ?
Nature 430, 850 (19 August 2004)
C. D. Wilga G. V. Lauder
Biomechanics  Hydrodynamic function of the
shark's tail
22
Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das
Zackenband am Rumpfende des Tunfischs ?
Zackenband
Nasenbuckel
Welchen (strömungstechnischen) Zweck haben die
Nasenbuckel an der Flossenvorderkante des
Buckelwals ?
23
DLR-Hubschrauber Bo-105
Buckelwal
Pressemeldung Buckelwal macht Hubschrauber
wendiger
CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel
mit und ohne Nasenbuckel
24
Flossenboote
Ist die Flosse besser als ein Propeller ?
25
Zurück zum technischen Propeller
26
Siehe Betz in BERWIAN-Vorlesung
Strömungspfropfen
S
S
Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft
Vortriebsleistung
Antriebsleistung
Vortriebswirkungsgrad
Möglichst klein
Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers
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Große Luftschraube
? kleine Luftbeschleunigung
? hoher Wirkungsgrad
28
Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit
Die Caravelle Erstes strahlgetriebenes Kurz- und
Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960
1980)
29
Strahlantrieb ein Fährschiffes
Schaumschläger
Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika
Ein unmöglicher Antrieb
30
Der Trick der Natur die
Strömung an der
richtigen Stelle anzutreiben
Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand
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Propeller
Modell für gleichmäßige Strömungsabbremsung
Sieb
Das Propeller-Sieb-Modell
32
b
a
v
Sieb
v
Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden
Die 1 000 000-Euro-Frage Ist aus energetischer
Sicht a besser als b b besser als a a
so gut wie b
Sieb
?
Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel
33
Sieb
a
v
2
ö
æ
v
v
v
2
-

1

ç
S
0
0
S
v
L
ø
è
0

b
v
L

1
S
a
v
0
Für cw 0,5
v
v
b
0
P
Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel
v
v
0
S
34
Schub des Propellers
Impulssatz der Strömungslehre
v
v
0
P
Widerstand des Siebes
Impulssatz der Strömungslehre
Bedingung für stationäre Bewegung
v
v
0
S
Bedingung F F F
P
S
Erforderliche Propellerleistung
35
F
Schub des Propellers
S
Impulssatz der Strömungslehre
Widerstand des Siebes
Impulssatz der Strömungslehre
v0
vS
vP
Bedingung F F F
S
P
Bedingung für stationäre Bewegung
Erforderliche Propellerleistung
36
Leistungsverhältnis
v
v

1,0 1,00
0.8 1,20
0,6 1,43
0,4 1,68
0,2 2.00
0 2,41
L
L
S
0
H
N
37
Propeller-Sieb-Modell
Nebeneinander
und hintereinander
Test im Windkanal
hat die Theorie bestätigt
38
Propeller Strahl
Verlustenergie
Sieb Nachlauf
Keine bewegte Luft
Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen
Raum
39
Integrale Antriebe in der Natur
Vogel
Fisch
Paramecium
Aal
Qualle
Manta
40
Vision Flugzeug mit Integralantrieb
41
Nachlaufbeschleunigung
(NASA-Studie)
42
Distributed Propulsion
43
Strömungseintritt und Beschleunigung
Helmholtzscher Wirbelsatz Es können nur
entgegengesetzt drehende Wirbelpaare existieren !
Ringwirbel
Die Qualle Ein ideales Triebwerk ?
Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung
über einen größeren Querschnitt als es ihrer
eigenen Stirnfläche entspricht
44
nicht so
Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
45
sondern so
Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
46
Wie lassen sich abgebremste
Strömungsteilchen
selektiv sammeln und beschleunigen ?
47
Wirbeltheorie von W. Liebe
48
Unterdruck
Zentrifugiertes Strömungsteilchen
Saugwirkung eines Wirbels
Gebremstes Strömungsteilchen
Reibfläche
Durch fehlende Zentrifugalwirkung wird das
Teilchen in den Wirbelkern gesaugt
49
Vortex Generatoren
Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel
Angestellter Tragflügel
Randwirbel
50
Lernen vom fliegenden Fisch
51
Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs
52
Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs
Schub S
Für
Vortriebswirkungsgrad 1
Zur abgeleiteten Formel
53
schlecht
Prototyp "Seafalcon" Ende Oktober 2006 wurde das
sogenannte Bodeneffekt-Fahrzeug erstmals zu
Wasser gelassen. Mit der Technik kann das Gefährt
übers Wasser fliegen.
Anstatt von der nachgiebigen Luft sollte sich
das Bodeneffekt-Flugzeug besser vom härteren
Wasser abstoßen !
54
Vorteile eines Bodeneffektflugzeugs
1. Größerer Auftrieb eines Flügels in Bodennähe
2. Kleinerer Widerstand der Randwirbel durch
einen Spiegelungseffekt
55
Pelican
Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing
Spannweite 152 m, Länge 109 m Reichweite 16 000
km bei einer Flughöhe von 6 m
56
Der Schienenzepp von Franz Kruckenberg
fuhr am 21. Juni 1931 in 98 Minuten von
Hamburg-Bergedorf nach Berlin Spandau und hielt
24 Jahre den Geschwindigkeits-rekord von 230 km/h.
Dennoch Die Antriebsleistung sollte vollständig
auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen
Luftstrahl übertragen werden !
57
Ich wünsche Ihnen einen guten Flug in das Jahr
2013
Ende
www.bionik.tu-berlin.de
58
(No Transcript)