B1-12Fo5 - Bionik TU

Report
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
Re x  

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
(cf )1  (cf )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 106 m2 / s
D
D
Re  v  D  2300
Re  v  D  2300
Honig  1 102 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.
Delfine überholen Ozeandampfer
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  vx
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 Barrakudaschleimwasser 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
uv
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)
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
Anwendung des Pinguin-Effekts
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
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
Zur (scheinbar) guten Idee,
Luft auf einer vom Wasser
überströmten Oberfläche
festzuhalten
Festgehaltener Luftfilm
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
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
Wasser
Der Salvinia®-Effect
Nach W. Barthlott
Luft-Zellen
WasserTropfen
Wasser wird an den
Schneebesenspitzen
„festgetackert“
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 Strömungswiderstand 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.
Haifischschuppen
Fischschleim
Pinguinkleid
Tunfischform
Pinguinform
Delfinhaut
v0
x
Instabilitätspunkt
Umschlagpunkt
Anwendungsbereiche der 5 biologischen Methoden
zur Verminderung des Reibungswiderstands
Ende
www.bionik.tu-berlin.de

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