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

Alternative Antriebssysteme - Widerstandsminimierung

Kurzdarstellung des Projektes

Die aquatische Lokomotion (Fortbewegung) unter Wasser sieht sich drei, der Bewegungsrichtung entgegenwirkenden Widerstandskomponenten gegenüber: dem Form-, dem Reibungs- und dem induzierten Widerstand


(Dtot = Dbody + Dfric + Dind).

 

Im Laufe der biologischen Evolution wurden bei Fischen unterschiedliche Strukturen, Mechanismen sowie Verhalten entwickelt, die der Beeinflussung und Reduktion dieser energieverbrauchenden Widerstandskräfte dienen.

Diese stehen seit geraumer Zeit im Fokus bionischer Analysen, wurden bis dato aber lediglich als Einzelkomponenten betrachtet, wodurch die Interaktionseffekte verloren gehen.



Bild 1: Aufbau des PIV-Systems am Wasserkanal. Polyamidpartikel werden durch eine waagrecht "aufgespannte" Laserebene beleuchtet und über einen Spiegel von unten aufgenommen.

Das vorliegende Forschungsvorhaben befasst sich mit den unterschiedlichen Aspekten der Widerstandsbeeinflussung bei frei im Wasserkanal schwimmenden Stören (Acipenser gueldenstaedtii). Durch den Einsatz eines High-Speed PIV-Systems (Bild 1) wird der Nachlauf hinter der Schwanzflosse sowie zwischen Dorsal- und Caudalflosse visualisiert und analysiert. Es ist zu erkennen, dass hinter der Dorsalflosse ein Wirbelsystem entsteht, welches mit der Caudalflosse interagiert. Es kommt es zu einer mehrdimensionalen Einflussnahme auf den bewegungsinduzierten Gesamtwiderstand (Bild 2 & 3).


Bild 2: Nachlauf eines im Wasserkanal schwimmenden A. gueldenstaedtii (2 L/s; 0,46 m/s). Die Färbung im Hintergrund repräsentiert die Wirbelstärke (vorticity), Rot und Blau geben jeweils unterschiedliche Drehrichtungen wieder.

 

 

 

 

 

Bild 3: Graphische Interpretation der dreidimensionalen Wirbelstruktur im Nachlauf eines im Wasserkanal schwimmenden Störs. Die Wirbelstraße ist zur Verdeutlichung der räumlichen Ausdehnung schematisch in Form von dreidimensionalen Ringen dargestellt. Bedingt durch die asymmetrische Schwanzflosse des Störs ergeben sich Doppel-Ringsysteme. Die blauen und roten Felder geben dabei die Drehrichtung der Wirbel an.


Projektziele

Diese Interaktion, so die Hypothese, führt zu einer Steigerung der Effizienz. Um dies nachzuweisen wird ein technisches Funktionsmodell ("künstlicher Fisch") konstruiert, das im Wasserkanal bei unterschiedlichen Parametereinstellungen messtechnisch analysiert werden soll. Neben der Analyse der Kinematik (Bild 4) und der Widerstandserfassung werden hierbei ebenfalls Nachlaufanalysen via PIV-Verfahren durchgeführt. Flankiert werden die experimentellen Ansätze durch numerische Analysen mittels CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics). Weiterhin steht eine Bewertung der Befunde hinsichtlich einer Übertragung in den technischen Anwendungsbereich insbesondere im Bereich der autonomen Unterwasserfahrzeuge im Fokus der Forschungsarbeiten.

 


Bild 4: Mittelliniendarstellung eines freischwimmenden Fisches über einen Schwanzschlag (Dauer t: 0,28 s, v = 2 L/s). Deutlich wird die caudad zunehmende Amplitude über die Körperachse des Tieres. Der Mittellinien-Verlauf ist sowohl von der Schwimmgeschwindigkeit abhängig als auch speziesspezifisch.

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Antonia B. Kesel (Leitung), Florian Hoffmann

Veröffentlichungen

  • Hoffmann, F.; Kesel, A.B. (2007): Kinematik- und Nachlaufanalyse beim Stör mittels PIV (Particle Image Velocimetry). In: "Bionik: Patente aus der Natur" (eds. Kesel A.B., Zehren D.), Bionik-Innovations-Centrum, Bremen, p. 244-250.

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