ingo rechenberg

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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische

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Ingo Rechenberg. PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“. Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische. Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren. 1 . Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Ingo Rechenberg

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“

Lokomotions-Techniken von Wassertieren

Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische

Page 2: Ingo Rechenberg

Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren

1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten

2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten

cw → Min

→ Max (100%)

Page 3: Ingo Rechenberg

Flossenpropeller - Forelle

Page 4: Ingo Rechenberg

Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel

0,15 s

2,6 m/s

Startbeschleunigung 5g

Startstellung

Page 5: Ingo Rechenberg

Nicht so …

sondern so

Wie entsteht der Schub einer Fischflosse

Auftrieb

3 Theorien

Page 6: Ingo Rechenberg

Schuberzeugung einer Fischflosse

Demonstration der Auftriebtheorie

Delfin schwimmt nach oben

Anstellwinkel

Page 7: Ingo Rechenberg

Schuberzeugung einer Fischflosse

Demonstration der Hertelschen

Auftriebstheorie

Delfin schwimmt nach oben

Page 8: Ingo Rechenberg

Vortrieb durch Auftrieb

W

A

v

Auftriebstheorie von Heinrich Hertel

v

v

H. Hertel (1901–1982)

Page 9: Ingo Rechenberg

AuftriebSchub

Bei Vorwärtsbewegung

Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht

Schräganströmung durch Bewegung nach oben

(Hier Aufwärtsbewegung !)

Page 10: Ingo Rechenberg

Wirbeltheorie von W. Liebe

Umströmung der Flossenhinterkante

1

Ausbildung eines Hinterkantenwirbels

2

Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel

3

Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert

4

Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante

5

Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1

6

Flexible Flosse,Ansicht von oben

Wolfgang Liebe1911 - 2005

Page 11: Ingo Rechenberg

Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

Page 12: Ingo Rechenberg

Wirbel- Ringe

Wirbel- Spule

Wirbel- Faltblatt

Schub erzeugende Wirbelsysteme

Page 13: Ingo Rechenberg

Ringwirbelstraße einer Qualle

Nicht ganz richtig !Siehe weiter unten !

Page 14: Ingo Rechenberg

Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

Page 15: Ingo Rechenberg

Wirbelbild DelfinflosseWirbelspule ?

?

Page 16: Ingo Rechenberg

Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

Page 17: Ingo Rechenberg

King George IslandSouth Shetlands, Antarktis

Pinguin im Schwimmkanal

Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen

Beschleunigungssensoren

Kabel

Page 18: Ingo Rechenberg

Bildung eines Schub erzeugenden Wirbelrings

Wirbelring

1

2

3

Pinguin im Schwimmkanal

Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet

Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch

Page 19: Ingo Rechenberg

Schuberzeugung durch

eine Wirbelfaltstruktur

Schub Wirbelringe

CFD

Page 20: Ingo Rechenberg

Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die Fahne an der Flossenspitze des Hais ?

?

Page 21: Ingo Rechenberg

Nature 430, 850 (19 August 2004)

C. D. Wilga & G. V. LauderBiomechanics:  Hydrodynamic function of the shark's tail

Wirbelring im Wirbelring ?

Page 22: Ingo Rechenberg

Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Tunfischs ?

Welchen (strömungstechnischen) Zweck haben die Nasenbuckel an der Flossenvorderkante des Buckelwals ?

Zackenband

Nasenbuckel

Page 23: Ingo Rechenberg

CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenbuckel

DLR-Hubschrauber Bo-105

Pressemeldung: Buckelwal macht Hubschrauber wendiger

Buckelwal

Page 24: Ingo Rechenberg

Flossenboote

Ist die Flosse besser als ein Propeller ?

Page 25: Ingo Rechenberg

Zurück zum technischen Propeller

Page 26: Ingo Rechenberg

Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers

Antriebsleistung: MLA

Vortriebsleistung:

Vortriebswirkungsgrad: )/(1

22

00

0

vvvvv

LL

PPA

V

0vSL V

0v Pv2

0 Pvv

S S

Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft

Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung

20 PvvS

Strömungspfropfen

Möglichst klein

Page 27: Ingo Rechenberg

Muskelkraftflugzeug

Hallenflugmodell

Große Luftschraube

→ kleine Luftbeschleunigung

→ hoher Wirkungsgrad

Page 28: Ingo Rechenberg

Die Caravelle

Erstes strahlgetriebenes Kurz- und Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960 – 1980)

Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit

sehr klein

Page 29: Ingo Rechenberg

Schaumschläger

Ein unmöglicher Antrieb

Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika

Strahlantrieb ein Fährschiffes

Page 30: Ingo Rechenberg

Der Trick der Natur

die Strömung an der

richtigen Stelle anzutreiben

Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand

Page 31: Ingo Rechenberg

Das Propeller-Sieb-Modell

Sieb

Propeller

Modell für gleichmäßige Strömungsabbremsung

Page 32: Ingo Rechenberg

Die 1 000 000-Euro-Frage:

Ist aus energetischer Sicht:

„a“ besser als „b“

„b“ besser als „a“

„a“ so gut wie „b“?

Das Propeller-Sieb-Modellvon Heinrich Hertel

Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden

v

b

v

a

Sieb

Sieb

Page 33: Ingo Rechenberg

Das Propeller-Sieb-Modellvon Heinrich Hertel

a

bFür cw = 0,5

vvvv

a

b

LL

S

2S

1

21

30,1a

b

LL

w

w

cc

a

b

LL

1111

0

0

0

Sieb

vv vS

vS

vPv0

0v

0

Page 34: Ingo Rechenberg

Schub des Propellers:

)()( 00

0 2 vvvv

FvvmS PP

PP

Widerstand des Siebes:

)()( 00

0 2 SS

SS vvvv

FvvmW

Bedingung für stationäre Bewegung:

WS 2

002 )(v

vvv SP

Erforderliche Propellerleistung:

20 Pvv

SL

dernebeneinan

2

0

0 212

)(vvSv S

v vS

vPv0

0

Bedingung: F = F = F S P

FS

FP

Impulssatz der Strömungslehre

Impulssatz der Strömungslehre

Page 35: Ingo Rechenberg

Schub des Propellers:

)()( 2 SPSP

SPP vvvv

FvvmS

Widerstand des Siebes:

)()( 00

0 2 SS

SS vvvv

FvvmW

Bedingung für stationäre Bewegung:

WS 10

vvP

Erforderliche Propellerleistung:

2PS vv

SL

nderhintereina

0

0 12 v

vvS S

v0 vS vP

FS FP

Bedingung: F = F = F S P

Impulssatz der Strömungslehre

Impulssatz der Strömungslehre

Page 36: Ingo Rechenberg

Leistungsverhältnis:

0

2

0

1

21

vv

vv

LL

S

S

)(nderHintereina

derNebeneinan

1,0 1,00

0.8 1,20

0,6 1,43

0,4 1,68

0,2 2.00

0 2,41

S 0 N Hv v L L

Page 37: Ingo Rechenberg

Nebeneinander

Test im Windkanal

und hintereinander

Propeller-Sieb-Modell

hat die Theorie bestätigt

Page 38: Ingo Rechenberg

Propeller Strahl

Sieb Nachlauf

Verlu

sten

ergie

Keine

beweg

te L

uftZwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum

Page 39: Ingo Rechenberg

Integrale Antriebe in der Natur

Fisch

Vogel

Paramecium

Qualle

Manta

Aal

Page 40: Ingo Rechenberg

Vision: Flugzeug mit Integralantrieb

Page 41: Ingo Rechenberg

Nachlaufbeschleunigung

(NASA-Studie)

Page 42: Ingo Rechenberg

Distributed Propulsion

Page 43: Ingo Rechenberg

Strömungseintritt und Beschleunigung

Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ?Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung übereinen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht

Ringwirbel

Helmholtzscher Wirbelsatz:

Es können nur entgegengesetzt drehende

Wirbelpaare existieren !

Page 44: Ingo Rechenberg

Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

nicht so

Page 45: Ingo Rechenberg

Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

Einstrom zwischenden Doppelwirbelringen

sondern so

Page 46: Ingo Rechenberg

Wie lassen sich

abgebremste Strömungsteilchen

selektiv sammeln und beschleunigen ?

Page 47: Ingo Rechenberg

Wirbeltheorie von W. Liebe

Umströmung der Flossenhinterkante

1

Ausbildung eines Hinterkantenwirbels

2

Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel

3

Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert

4

Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante

5

Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1

6

Page 48: Ingo Rechenberg

Unterdruck

Zentrifugiertes Strömungsteilchen

Gebremstes Strömungsteilchen Reibfläche

Saugwirkung eines Wirbels

Durch fehlende Zentrifugalwirkung wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt

Page 49: Ingo Rechenberg

Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel

Vortex Generatoren

Tusche

Randwirbel

Angestellter Tragflügel

Page 50: Ingo Rechenberg

Lernen vom fliegenden Fisch

Page 51: Ingo Rechenberg

Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

Page 52: Ingo Rechenberg

Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs

2

21

22

11 11121

v

vFF

vSL

v v

vv

1

2

F

F

1

2

Schub S

1

2

Für 12

vSL

Zur abgeleiteten Formel

Vortriebswirkungsgrad = 1

Page 53: Ingo Rechenberg

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 !

schlecht

Page 54: Ingo Rechenberg

Vorteile eines Bodeneffektflugzeugs

1. Größerer Auftrieb eines Flügels in Bodennähe

2. Kleinerer Widerstand der Randwirbel durch einen Spiegelungseffekt

Page 55: Ingo Rechenberg

„Pelican“

Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing

Spannweite 152 m, Länge 109 m

Reichweite 16 000 km bei einer Flughöhe von 6 m

Page 56: Ingo Rechenberg

Der Schienenzepp

von Franz Kruckenberg

Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden !

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.

Page 57: Ingo Rechenberg

Ende

www.bionik.tu-berlin.de

Ich wünsche Ihnen einen guten Flug in das Jahr 2013

Page 58: Ingo Rechenberg

Schub des Propellers:

)()( 00

0 2 vvvv

FvvmS PP

PP

Widerstand des Siebes:

)()( 00

0 2 SS

SS vvvv

FvvmW

Bedingung für stationäre Bewegung:

WS 2

002 )(v

vvv SP

Erforderliche Propellerleistung:

20 Pvv

SL

dernebeneinan

2

0

0 212

)(vvSv S

v vS

vPv0

0

Bedingung: F = F = F S P

FS

FP

Impulssatz der Strömungslehre

Impulssatz der Strömungslehre