Forschungsbericht 2010 - 2011 - Hochschule Bremen

Aerodynamik des Schlagflugs
Laufzeit Projektbeteiligte
10/2008 - 10/2011 Kesel, Antonia, Prof. Dr.
Thielicke, William, Dipl.-Biol.
Projektleiter
Stamhuis, Eize Jan, Dr.
Projektbericht
Von je her beeindrucken die Leichtigkeit und Geschicklichkeit
mit der sich Vögel durch die Luft bewegen.
Vögel erscheinen hierzu bis ins kleinste Detail
optimiert: Unterschiedliche Profilierungen an Arm- und
Handschwingen sorgen beispielsweise dafür, dass instationäre
aerodynamische Effekte genutzt und kontrolliert
werden können. Modellversuche zeigen, dass
sich beim Abschlag des Flügels sofort ein Vorderkantenwirbel
ausbildet. Der Wirbel hat großen Anteil an
den entstehenden Luftkräften (Auftrieb und Vortrieb).
Dieses Phänomen wurde beim Insektenflug bereits
ausführlich untersucht. Der Schlagflug der Vögel findet
jedoch bei weitaus größeren Reynoldszahlen statt. Ob
die für den Insektenflug beschriebenen Mechanismen
auch hier greifen ist noch unklar. Das Forschungsprojekt
soll das Verständnis vom Schlagflug der Vögel im
Allgemeinen und speziell während kritischer Manöver
wie Start und Landung erweitern.
Bild 1: Graphische Rekonstruktion des Nachlaufes eines Vogels
im Schlagflug nach Modellmessungen (Quelle: William
Thielicke)
Ziel des Projektes ist die Charakterisierung der instationären
Strömung um mehrere, vogelflügelähnliche
Modelle. Die Fluidbewegung wird mittels Particle
Image Velocimetry (PIV) direkt um den schlagenden
Flügel erfasst. Vorstudien haben bereits die Komplexität
und die Dominanz dreidimensionaler Komponen-
ten der Umströmung gezeigt (Bild 1), daher ist eine
dreidimensionale Analyse unumgänglich. Durch die
Kombination von vielen gestapelten, zweidimensionalen
Lichtschnitten aus zwei rechtwinklig zueinander
stehenden Ebenen, kann ein dreidimensionales Abbild
der instationären Strömung aufgenommen werden.
Gegenstand der Messungen sind verschiedene
Flügelmodelle und die Kinematik. Diese Studie soll
den Effekt verschiedener, für den Vogelflug relevanter
Designparameter (Flügelform, Profilwölbung, Flügelverwindung,
Profildicke) charakterisieren. Mithilfe
der dreidimensionalen Strömungsmessungen können
Auftrieb und Vortrieb der Modelle verglichen werden.
Mechanismen, die für die Stabilisierung der instationären
Effekte verantwortlich sind, werden aufgezeigt.
Das Projekt soll einen Beitrag für präzisere Hypothesen
zu den Mechanismen des Schlagflugs der Vögel
leisten.
Einsatzmöglichkeiten der
Ergebnisse in technische
Bereiche scheinen vielfältig.
Insbesondere die Kontrolle
von instationären Effekten
und deren Nutzung
ist für eine technische Umsetzung
bei unbemannten
Flugobjekten (z.B. Micro
Air Vehicles, MAVs) sehr
vielversprechend.
Veröffentlichungen
Thielicke W., Stamhuis
E.J. (2009): Scalability of
unsteady aerodynamics in
flapping flight for MAV applications.
In: "Bionik: Patente
aus der Natur" (eds.
Kesel A.B., Zehren D.),
Bionik-Innovations-Centrum,
Bremen, p. 349-353.
Finanzierung
Hochschule Bremen
Kooperationspartner
Department of Ocean Ecosystems, University of Groningen,
NL
Kontakt
Prof. Dr. Eize J. Stamhuis
Bionik-Innovations-Centrum (B-I-C)
Tel.: 0421-5905-2525
E-Mail: B-I-C@bionik.hs-bremen.de
www.bionik.hs-bremen.de
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