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

Widerstandsreduktion durch Schwarmbildung - Experimentelle Befunde

Kurzdarstellung des Projektes

Die Lokomotion (Fortbewegung) im Wasser ist auf Grund der hohen Dichte des Mediums energetisch wesentlich aufwendiger als an Land. Allerdings wurden im Laufe der Evolution vielfältige Mechanismen und Strategien entwickelt, die es den wasserlebenden Organismen dennoch erlauben, sich effizient vorwärts zu bewegen.

Bild 1: Unterschiedliche Anordnungsmuster von 4 Tauchkörpern gleicher Geometrie zur Untersuchung des Gesamtwiderstands..

Neben der geometrischen Anpassung von Körperform und Antriebseinheiten sowie der Ausbildung günstiger kinematischer Bewegungsmuster wird hierbei auch der Zusammenschluss vieler Individuen zu großen Verbänden, zu Schwärmen, diskutiert. Während die Schutzfunktion des Individuums vor Räubern unbestritten ist, wird die Option auf hydrodynamische Vorteile des Schwimmens im Schwarm gegenüber des individuellen bis dato kontrovers diskutiert. Tiere im Zentrum eines Schwarms könnten durch Vorausschwimmende energetisch günstig beeinflusst werden. Vergleichbare Beobachtungen an Schwärmen von Zugvögeln stützen diese These. Bei Fischschwärmen liegen hierzu bis dato jedoch kaum Befunde vor. Um hier erstmals Daten für die Situation im Wasser zu gewinnen, wurden unterschiedliche Anordnungsgeometrien ("Schwarmmuster") von Tauchkörpern im Wasserkanal untersucht (Bild 1 & 2).

Messtechnisch erfasst wurden die Widerstandswerte bei unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten. Erste Ergebnisse zeigen einen bis zu 20% reduzierten Gesamtwiderstand. Allerdings zeigen die Untersuchungen auch eine starke Geschwindigkeitsabhängigkeit sowie eine hohe Geometriesensibilität auf. Demnach kommt nicht zu letzt den Abständen zwischen den Individuen innerhalb des Schwarms eine erhebliche Bedeutung zu.


Bild 2: CAD-Zeichnung Testkörperaufhängung im Wasserkanal: 4 geometrisch gleich gestaltete Profile werden in unterschiedlicher Anordnung auf den Gesamtwiderstand in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit hin vermessen (Quelle: Jörg Adams, 2008).


Bild 3: Der Lotsenversetzer "Borkum" wurde als Mehrrumpfschiff gebaut. (Quelle: www.wikipedia.org. Author: Ra Boe).

Projektziele

Anvisiertes Ziel dieser Untersuchungen ist, neben einer systematischen Analyse der Geometrie-Widerstands-Beziehung insbesondere die Übertragbarkeit auf technische "Tauchkörper" im weitesten Sinne zu überprüfen. Zu den technischen Anwendungsmöglichkeiten zählen z.B. AUV-Schwärme (Autonomous Underwater Vehicle), die aus wenigen bis vielen Einzelobjekten bestehen können, wobei die Schwarmgröße von der jeweiligen Mission abhängig ist. Hier ist aktuell die Energieversorgung der limitierende Faktor hinsichtlich Einsatzbereich und -dauer. Interessant für weiterführende Untersuchungen sind außerdem schwimmende Objekte an der Wasseroberfläche. Hierbei gilt es, eine Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse zum Beispiel auf die Anordnungs- wie Konstruktionsgeometrie von Mehrrumpfschiffen (SWATH-Schiffe, Bild 3) zu überprüfen.

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

 

Kooperationspartner
    - Institut für Biologie und Umweltwissenschaften , Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

Veröffentlichungen

  • Adams, J. (2008): Minimierung des hydrodynamischen Widerstands an starren Strömungskörpern durch geometrische Formation nach Vorbild von Schwärmen (Diplomarbeit an der Universität Oldenburg, unpubl.).
  • Kesel, A.B.; Adams, J. (2007): Does schooling reduce drag in submerged bodies? In: SEB 2007 Abstracts. CBP Part A, Volume 146, Issue 4, Suppl. 1, p. S141.

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