Ingo Rechenberg

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. H. Hertel (1901–1982) 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. 1 2 3 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel Ausbildung eines Hinterkantenwirbels Umströmung der Flossenhinterkante 6 4 5 Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 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. Beschleunigungssensoren 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 ? Nature430, 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 a 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

27. Muskelkraftflugzeug Hallenflugmodell Große Luftschraube → kleine Luftbeschleunigung → hoher Wirkungsgrad

28. hsehr klein Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit Die Caravelle ErstesstrahlgetriebenesKurz-undMittelstrecken-VerkehrsflugzeugderWelt (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

31. 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 1000000-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. L b = 1 , 30 L a c + + 1 1 L b w = c L + - 1 1 a w Sieb a v 2 æ ö v v v - 2 + 1 ç ÷ 0 0 S S v L è ø 0 = b v L + 1 S a v 0 Fürcw= 0,5 v v b 0 P Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel v v 0 S

34. F F S P 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 P F Schub des Propellers: S Impulssatz der Strömungslehre Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v0 vP vS Bedingung: F= F = F P S Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung:

36. Leistungsverhältnis: v v 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. Helmholtzscher Wirbelsatz: Es können nur entgegengesetzt drehende Wirbelpaare existieren ! Strömungseintritt und Beschleunigung 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. Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen sondern so Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

46. Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?

47. 1 2 3 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel Ausbildung eines Hinterkantenwirbels Umströmung der Flossenhinterkante 6 4 5 Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 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. Tusche Vortex Generatoren Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel Angestellter Tragflügel Randwirbel

50. Lernen vom fliegenden Fisch