Startseite   Mitarbeiter   Anfahrt   Impressum       

 

Termine

2018
Delphi-Befragung

mehr ...

 

8. Oktober - 23. November 2018
Green Up Your Future - Info-Ausstellung zu grünen Berufen an der HSB

mehr ...

 

27. November 2018
Bionik-Seminar: Florian Muijres – Fluid mechanics of flying animals and bio-inspired drones

mehr ...

 

11. Dezember 2018
Bionik-Seminar: Franz Peters – Zum Blasensaufstieg in Flüssigkeiten

mehr ...

Pressemeldung

Bremer Bionik Absolvent wird mit Innovationspreis ausgezeichnet.
mehr...

B-I-C Blog

News und Informationen zu Studiengang, Projektarbeiten und Forschung.
mehr...

BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM B-I-C – Abgeschlossene Forschungsprojekte

Libellen als Vorbilder für Kleinstflugzeuge? - Aerodynamische Charakterisierung eines Libellenflügels mittels numerischer Simulation

Kurzdarstellung des Projektes

Libellen erweisen sich mit ihren vier Flügeln als äußerst wendige Flugakrobaten, welche es vermögen, sich sowohl im Schlag- als auch im Gleitflug fortzubewegen. Im Gleitflug lassen sich durchaus Fortbewegungsgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde beobachten, was in Verbindung mit den Sehnenlängen der Flügel einen Reynolds-Zahl-Bereich von 100 bis 10.000 ergibt (Warkeling et al. 1997). Eine genauere Betrachtung der Libellenflügel zeigt, dass diese aus einem Venengerüst bestehen, das als Rahmen für Membrane dient und dem Flügel so bei geringem Materialeinsatz mechanische Stabilität verleiht. Aus der Anordnung der Venen resultiert ein riefenförmiges, im Vergleich zu technischen Profilen, untypisches Flügelprofil.

Der Flug bei geringen Reynolds-Zahlen, wie diese bei Kleinstflugzeugen auftreten, erfordert im Vergleich zu den intensiv untersuchten herkömmlichen Flügelprofilen eine modifizierte Formgebung, siehe Srinath et al. (2008). In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, in wiefern Libellenflügel als Vorbild dienen können. Der aerodynamischen Charakterisierung von Libellenflügeln haben sich u.a. Kesel (2000) und Vargas et al. (2009) gewidmet. Dabei finden die Untersuchungen weitestgehend bei Reynolds-Zahlen größer 1000 statt. Diese Arbeit konzentriert sich indessen auf die aerodynamischen Eigenschaften eines zweidimensionalen Libellenflügels im Gleitflug mittels numerischer Simulation bei
Re = 300 und Anstellwinkeln 0° = α = 30°.


Bild 1: Stromlinien und Druckfelder (dimensionslos) der Umströmung eines Libellenprofils und einer ebenen Platte (α = 20°).

Die Geometrie des Flügelprofils wurde von Kesel (2000) entnommen. Die numerische Strömungssimulation erfolgt mittels eines Finite-Volumen-Codes, der die Navier-Stokes-Gleichungen für eine instationäre, reibungsbehaftete Strömung eines inkompressiblen Fluids löst. Das hybride Gitter setzt sich aus flügelnah angeordneten Hexaedern sowie aus flügelferner platzierten Prismen zusammen. Die Überprüfung der Simulationsergebnisse erfolgt über den Vergleich mit Daten aus der Literatur sowie mittels einer Gitterstudie.

Geschwindigkeits- und Druckfelder wie auch Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte zeigen im Vergleich zur ebenen Platte ein qualitativ nahezu gleiches Verhalten. Bei α = 0° liegen die Widerstandsbeiwerte von Libelle und Platte trotz deutlich unterschiedlicher Geometrien mit cDm = 0,22 (Libelle) und cDm = 0,21 (Platte) nah beieinander. Die Ursache besteht in den starken viskosen Effekten, so dass die maximale Querabmessung des Libellenprofils geringer als die Dicke der viskosen Schicht am Ende der Platte ausfällt. Im Unterschied zur Platte zeigt die Libellenumströmung bei allen Anstellwinkeln langsam drehende Wirbel in den Kavitäten an Ober- und Unterseite. Mit steigendem Anstellwinkel ändern sich das Auftreten und die Größe dieser Wirbel. Während sich bei α = 10° die Ablösegebiete auf die Kavitäten beschränken und bei der Platte eine anliegende Strömung an der Oberseite besteht, bildet sich bei α = 12,5° ein größeres, stationäres Rezirkulationsgebiet aus. Bei α = 15° löst die Strömung dann alternierend in Form einer Karmanschen Wirbelstraße ab. Im Unterschied zur Platte weist die Umströmung des Libellenprofils bei größeren a zusätzlich einen kleinen stationären Vorderkantenwirbel auf, den eine Kavität fixiert, siehe Abbildung. Der Vergleich der Druckfelder deutet darauf hin, dass dieser im Vergleich zur Platte zu einem höheren Auftriebsbeiwert von ca. 5% beiträgt.

Projektziele

Mit dem von der DFG genehmigten Großgeräteantrag für einen Rechner-Cluster eröffnet sich in Zukunft die Möglichkeit, komplexere Umströmungen von Insekten, Vögeln und Fischen zu simulieren, um dann aus der Erkenntnis der auftretenden Mechanismen mittels Optimierung Lösungen für technische Anwendungen zu generieren.

 

- Kesel AB (2000) Aerodynamic characteristics of dragonfly wing sections compared with technical aerofoils. Journal of Experimental Biology 203, 3125-3135
- Vargas A, Mittal R, Dong, H (2008) A computational study of the aerodynamic performance of a dragonfly wing section in gliding flight. Bioinspiration & Biomimetics 3, 026004
- Wakeling, JM, Ellington, CP (1997) Dragonfly flight: I. Gliding flight and steady-state aerodynamic forces. Journal of Experimental Biology 200, 543-56

Projektleitung
Prof. Dr. Albert Baars (Leitung)

Finanzierung
     - Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
     - Hochschule Bremen
     - Senator für Bildung und Wissenschaft der Freien Hansestadt Bremen

Veröffentlichungen

  • Baars A (2009) Libellen als Vorbilder für Kleinstflugzeuge? - Aerodynamische Charakterisierung eines 2D-Libellenflügels im Gleitflug bei Re = 300. Proc. XIX International Symposium Research-Education-Technology, Bremen 24-25.9.09.

Informationen zu ...

   Delphi Befragung 2018

   Bionik Kongress 2018

   Tagungsband - Bionik Kongress

   Über das B-I-C

   Forschungsbereiche

   Publikationen

   B-I-C Blog

   Bionik in der Bildung

   Bionik Bachelor Studium

   Bionik Master Studium

   Mitarbeiter Bionik