Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung Bionik I Vorbild Vogelflug Evolution...
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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“
Vorbild Vogelflug
Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel
Dädalus und Ikarus
Vorbild „Vogel“
Kein Leitwerk
Otto Lilienthal (1848-1896)
Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges führten zum ersten erfolgreichen Flug
des Menschen
Otto Lilienthal am 16. August 1894:
Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden
Rumpf mittig !Flügel vorn !Leitwerk hinten !
Lösung der Ingenieure nach über 100 Jahren Flugzeugentwicklung
Lösung der biologischen Evolution
SeeschwalbeSeeschwalbe
Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker
Das Flugzeug ist noch immer
Gegenstand bionischer Forschung
Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung
Denn:
Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
?Energieersparnis
Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug
Randwirbel an einer F 18 Hornet
Wie entsteht Auftrieb
an einem Tragflügelprofil ?
2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung).
1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein.
Dagegen spricht:
Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb, obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !
Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?
Unterdruck
Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf der Profiloberseite die notwendige Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten Bewegungsbahn zu halten.
ZentrifugalwirkungZentripetalkraft
Weil eine gekrümmte Oberfläche die Strömung krümmt !
Auch bei einer angestellten ebene Platte sind die Stromlinien gekrümmt und sie erzeugt deshalb Auftrieb
Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung
Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 !
Mathematische Strömung Potentialwirbel
Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb !
Geschwindigkeitsfeld
rrv
2)(
Formel von Kutta/Joukowski
bvA
Ar v
FlügelspannweiteZirkulation
v
Kutta Joukowski
In der Realität geht die Strömung nicht um die scharfe Hinterkante herum
Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel
AnfahrwirbelZirkulation
Warum bildet sich ein Zirkulationswirbel ?
Der abschwimmende Anfahrwirbel kann allein nicht existieren. Sein Drehgeschwindigkeitsfeld würde einen unendlichen Energieinhalt besitzen. Es muss ein gleich starker Gegenwirbel entstehen, damit sich die Geschwindigkeiten im Unendlichen auslöschen. Der Gegenwirbel ist der Zirkulationswirbel .
rrv
2)(
Randwirbel erzeugt Abwärtsstrahl
Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben !
Zirkulation erzeugt höhere Geschwindigkeit und damit Unterdruck auf der Flügeloberseite
Auftriebs-Strahl
2 gleichberechtigte Modelle zur Berechnung des Auftriebs !
Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand.
22 iW
22
2
2 bv
AWi
Nach Ludwig Prandtl
Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.
Ludwig Prandtl (1875-1953)
Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen
A
b
Abwind
22
2
2 bv
AWi
A
b
Längsauftrennung des Flügels
A
22
2
2 bv
AW i
b
A 2
22
2
2 bv
AW i
1 4
b
A 2
22
2
2 bv
AW i
1 4
b
Der Doppeldecker-Trick halbiert den RandwiderstandVorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel
20-Decker von Horatio F. Philipps (1904)
Horatio Frederick Phillips1845 -1926
A
22
2
2 bv
AW i
b
A 2
b
A 2
b
22
2
2 bv
AW i
4
Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand
Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
Randwirbel am Normalflügel
Randwirbel am Spreizflügel
Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule
Siehe Vorlesung „Berwian“
Multideckertrick oder
Wirbelspulenprinzip
Zwei Deutungen des
Spreizflügeleffekts
Die Wirbelspule erzeugt einen kleinen Schub
Nachevolution im Windkanal (Neobionik)
Neue Generation
ca- cw- Messung
Flexible Bleistreifen
Nachkommen realisieren
Eltern eingeben
Nachkommen bewerten 2
3
w
a
cc
Generation
0
3
6
9
1215
18
21
24
27
Evolution eines Spreizflügels im Windkanal
2
3
w
a
cc
Max
Spreizflügel
versus
Normalflügel
W iders tandsbe iw ert
Auftr
iebs
beiw
ert
0 ,1 0,2 0,300
0,4
0,8
1,2
S treckung = 3 ,8
cw
c a
0188,0min
3
2
a
w
cc
0216,0min
3
2
a
w
cc
Diplomarbeit: Michael Stache
Was gewinnt der Vogel
durch aufgespreizte Flügelenden ?
Evolutions-
Wettkampf
? ?Zeit:Zeit:
1000
m
a b
Für den Vogel ohne Spreizung 0216,0min
3
2
a
w
c
c
Wir erhalten aus dem Polardiagramm
Für den Vogel mit Spreizung 0188,0min
3
2
a
w
c
c
m/s 23,1sink v
m/s 15,1sink v
Formel für die Sinkgeschwindigkeit
3
2
sink2
a
w
c
cFGgv
G = 0,8 kg F = 0,2 m2
g = 9,81 m/s2 = 1,1 kg/m3
Daten für Bussard
Evolutions- Wettkampf
13 min 33 sec 14 min 30 secZeit:Zeit:
1000
m
a b
Vorstufe des Spreizflügels des Vogels
Winglets
Boeing C-17 A Globemaster III
Winglets am
Segelflugzeug
Doppelwinglets MD 11 (Boeing)
Auf dem Weg
Dreifach-Winglets (Antonov)
zum Vogelflügel
Doppelwinglets:
Arava IAI 202 (1977)
Auf dem Weg zum Vogelflügel
Aus dem Internet
a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero
b) "Winggrid" eines Kondors
c) Motorsegler Stemme S10
Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der Wirbelzöpfe
d)
Winggrids
Auf dem Weg zum
Vogelflügel
Lang gezogene Wirbelspule
Flugmodell mit Multiwinglets
Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug
Fot
o: M
icha
el S
tach
e
32
34
36
38
40
42
80 90 100 110 120 130 140
Geschwindigkeit [km/h]
Gle
itza
hl
Rundbögen (GPS)
Multiwinglets (GPS)
Gle
itza
hl42
40
38
36
32
34
80 90 100 110 120 130 140G eschw indigkeit [km /h ]
DGPS-M essung: Eva Sunkomat R undbögenM u ltiw ing le ts
Flugmessungen an einem Segelflugzeug
Vom gespreizten
Vogelflügel
Schlaufenflügel
zum
Patent von Louis B. Gratzer
Flügelunterseite wird zur Oberseite (Möbius-Band)
Die abnehmende Flügeltiefe muss man sich in kleinen Stufen realisiert vorstellen
zunehmende Wirbelaufspaltung
Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe
Schlaufenflügel (spiroid wing)
Studenten-Praktikum am Storchenflügel
Flugzeugabsturz
Die wahrscheinliche Unglücksursache lag in dem Unvermögen der Flugbe-satzung, die Aktivierung des Stick Shaker als unmittelbare Warnung für den Übergang in den überzogenen Flugzustand zu erkennen und die Un-fähigkeit, die entsprechenden Verfah-ren zur Behebung dieses Flugzustan-des durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die War-nung für die Überschreitung der maxi-malen Geschwindigkeit zur Verwir-rung der Besatzung geführt.
Absturz durch Strömungsablösung
Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995
Birgenair-Flug 301
Absturz über dem Atlantik am 9. Februar 1996
Aus dem Untersuchungsbericht
Die ausgegebene Überziehwarnung wurde von der Besatzung ignoriert. Dies kann eine Folge mehrerer Umstände sein: Die Art des akustischen Alarms wurde nicht identifiziert. Alarmsignale am Anfang des Ereig-nisses wurden als irrelevant betrachtet und nicht be-achtet. Daneben fehlten visuelle Informationen, die eine Bestätigung des bevorstehenden Strömungsabrisses nach dem Verlust der Geschwindigkeitsanzeige ermög-licht hätten. Möglicherweise verwechselten die Piloten die vorliegende Flugsituation einer zu niedrigen Ge-schwindigkeit mit der einer zu hohen Geschwindigkeit, denn die Symptome beider Zustände ähneln einander.
Aus dem Untersuchungsbericht
Der verunglückte Airbus A330-200
Air-France-Flug 447
Absturz über dem Atlantik am 1. Juni 2009
Absturz durch Strömungsablösung
Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug
c
Strömungsablösungund Flugzeugabsturz
a c
?
a
Ideales Profilfür die F lugsicherheit
? ? ?
Braun-Skua
in der Antarktis
Unterdruck
Überdruck
Druckverteilung an einem Tragflügelprofil
Höchster Unterdruck (Sog)
-
Wie kommt es zu einer Strömungsablösung ?
Entstehung einer Ablösung
Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durchReibung abgebremst. Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog ankämpfenmuss, kommt am Punkt A zum Stillstand. A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt.
A
B
Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö-mungsteilchen (Bernoulli, erhöhte kinetische Energie !) stets dem Sog des Unterdrucks.
Wichtig !!!!!!!
Sonst bewegt es sich in Richtung des größten Unterdrucks zurück !
Wanderung der Ablösung
zum Druckminimum
Zusammenbruch des Auftriebs
Die wandnahen Strömungsteilchen (Grenzschichtteilchen) folgen dem Druckgradienten und strömen zur Stelle des größten Unterdrucks!
Bremsung der Ablösung
durch eine Deckfeder
!
Deckfeder =
Rückschlagventil
B
Hier ist bei einem Auftrieb erzeugenden Tragflügel die Strö-mung immer turbulent, d. h. mit Mikrowirbeln durchsetzt. Dadurch wird Energie von der Außenströmung an die Wand transportiert. Kleine Wirbelballen von außen schubsen die abgebremsten wandnahen Strömungsteilchen nach hinten. So wird eine Rückströmung der durch Reibung abgebremsten Strömungsteilchen zum Druckminimum hinausgezögert. Bei einer laminaren Grenzschichtströmung würde es ein Strö-mungsteilchen niemals von B bis zu Hinterkante schaffen!
A
B
Auch hier ist die Strömung hinter B immer turbulent. Doch bei vergrößertem Anstellwinkel schafft es auch die turbulente Grenzschichtströmung nicht bis zur Hinterkante. Bei A bleiben Strömungsteilchen stehen. Die Außenströmung wird von der Wand abgehoben, und es entstehen Wirbel. Die Strömung wird instabil und die Strömungsteilchen in der Grenzschicht folgen dem Druckgradienten an der Wand. ( Druckminimum bei B).
Warum haben Golfbälle näpfchenartige Vertiefungen (Dimples) ?
Weil im Strömungsbereich eines Golfballs (unterkritische Re-Zahl) die Strömung nicht von selbst turbulent wird. Erst die Rauigkeiten der Dimples machen die wandnahe Grenzschichtströmung turbulent. Das erhöht zwar die Reibung, was aber durch die hinausgezögerte Ablösung der Strömung mehr als wettgemacht wird. Der Strömungswiderstand wird um 50% verringert.
… erschwerend kommt hinzu, dass Wirbel nichtlinear miteinander wechselwirken können. Das hat mitunter paradoxe Effekte. So erzeugt eine etwas turbulente Strömung mitunter sogar weniger Widerstand als eine glatte, laminare. Genau deswegen haben manche Oberflächen Dellen - Golfbälle beispielsweise. Die kleinen Vertiefungen verwirbeln geringfügig die vorbei-strömende Luft, verringern dadurch den Luft-widerstand, und der Ball fliegt weiter.
Aus Spektrum der Wissenschaft, Heft 1, 2013: „Große Wirbel um die Turbulenz“.
Was heißt das konkret: „Wirbel nichtlinear miteinander wechselwirken können“ ???
Eine „etwas turbulente Strömung“ gibt es nicht !
Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt.
Braun-Skua
? ? ?Rückstromtaschen
Braun-Skua
Anordnung der Deckfedern
Dreifache Rückstrombremsung
Braun-Skua: Ablösekontrolle
Der Deckfeder-Effekt0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
cA
uftr
iebs
beiw
ert
A nste llw inkel
1000
20 30 40o o o o o
Flügel m it künstlichen Deckfedern
R e = 130 000
a
Rückstrombremsen an einem Flugmodell
Janosch Huser
Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?
Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche (Alulae)“
These: Randwirbel, der als Grenzschichtzaun fungiert
Profilnase - Skua
Angriff - Hochziehende Skua
Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“
Ende
www.bionik.tu-berlin.de