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