Methoden in der Bionik: Kennzahl für die Fluid-Struktur-Wechselwirkung


Wissenschaftlicher Aufsatz, 2011

10 Seiten

Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor)


Leseprobe

Teil I

Intro. In den Naturwissenschaften und in der Technik sind es fluidmechanische Fragestellungen, die sowohl einen hohen strukturellen Aufwand (Windkanäle, Strömungsmessstrecken), ausgefeilte numerische Methoden (Strömungssimulation, Computational Fluid Dynamics, CFD) als auch eine sehr hohe theoretische Sachverständigkeit aller Beteiligten fordern. In der Praxis der Übertragung von in der belebten Natur beobachteten Phänomenen auf Technik treten genau hier nahezu systematisch jene Hemmnisse auf, die eine Produktentwicklung im klassischen Sinne verzögern oder gar vollkommen scheitern lassen. Zwar unterstützen Computer Aided Design (CAD) und hochperformante Programmsysteme des Physical Modelling, etwa Simulationsmethoden, wie die Strukturanalyse mit FEM (Finite Element Methode und Berechnung der Strömungsgrößen mit CFD dank Soft- und Hardwareverfügbarkeit die „Frühe Phase“ der industriellen Produktentwicklung, doch trotz allen Simulierens und Optimierens werden (frühe) realitätsnahe Szenarien untersucht, die von Konstrukteuren und Designern in einem ersten Schritt vage, dann aber immer konkreter werdenden Funktions-, Gestaltungs- und Materialaussagen erfordern. Konzepte, Bauweisen und Strategien der Biologie unterscheiden sich in verblüffender Weise von denen der Technik, so dass der technischen Innovation nach dem Vorbild eines Phänomens, beobachtet in der belebten Natur, eine wissenschaftliche Auseinandersetzung seiner physikalischen, chemischen und informationstechnischen Ursachen vorausgeht.

Bei fluidisches Phänomen, beobachtet an einem Lebewesen wird, um die prinzipielle Lösung auf ein technischen Problems übertragen zu können, eine Ähnlichkeit hinsichtlich des Funktions- und Wechselwirkungsgeschehens gefordert. Für einen ersten Ansatz sind daher Similaritätsbetrachtungen, die den Einstieg in ein Übertragungsszenario im Sinne der Bionik leisten, nützlich.

Bevor nun die Hypothese über eine sehr spezielle Similarität entwickelt und zur Diskussion gestellt wird, möchte ich an Hand einer tradierten Ähnlichkeitszahl die Herangehensweise einer Similaritätsbetrachtung darstellen.

Bei fluidmechanischen Wechselwirkungen und unter der speziellen Voraussetzung voll getauchter Ähnlichkeitsexemplare findet die so genannte Reynoldsidentität Anwendung.

Reynolds-Zahlen. Zu einer Zeit vor der Verfügbarkeit von Strömungskanälen oder computergestützten Simulationsprogrammen hatte der Physiker Osborne Reynolds beschrieben, dass sich Zustandsgrößen des Strömungsfeldes, respektive die lokale Geschwindigkeit und idealisierte Konstruktionsparameter (Referenz- bzw. Signifikanzlängen) des Fluidsystems dann linear variieren lassen, wenn sie auf die Transportkoeffizienten des realen, reibungsbehafteten Fluids bezogen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die dimensionslose Reynolds-Zahl (Re) stellt das Verhältnis der an einem Fluidsystem wirkenden Trägheits- und Zähigkeitskräften dar.

Die Transportkoeffizienten μ und ν sind wichtige Stoffgrößen in der Fluiddynamik. Sie sind über einen weiteren Stoffwert, der Dichte des Mediums ρ mit einander gekoppelt. In Tabellenwerken sind beide Darstellungen gebräuchlich. Die dynamische Viskosität μ ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Je größer die Viskosität, um so mehr nimmt die Fließfähigkeit ab. Deshalb ist es für Beobachtungen im täglichen Leben sinnfälliger, die Fließfähigkeit oder die „Fluidität“ einer Substanz zu beschreiben, also den Kehrwert 1/μ, bzw ψ=1/ν. Darauf komme ich bei unseren späteren Betrachtungen zurück. Der Begriff der Viskosität ist eng verwoben mit der Vorstellung eines Widerstands gegen Scherbewegung innerhalb des Fluids [Die-11]. Teilchen zäher Flüssigkeiten sind stärker aneinander gebunden, besitzen eine innere Reibung, die zum Teil über Anziehungskräfte getragen wird. Die kinematischen Viskosität ν trennt die dynamische Viskosität μ vom Dichteeinfluss des Mediums. Die Viskosität ist sowohl temperatur- als auch druckabhängig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle der Transportkoeffizienten und Dichten [Hüt-02] [Gel-10].

Reynoldsidentität besagt nun, dass die Reynoldszahlen zweier fluidischer Szenarien, beispielsweise die Design-Reynoldszahl ReD eines Schiffbauteils und die Reynoldszahl eines beobachteten biologischen Phänomens Reb größenordnungsmäßig identisch sein sollen, damit eine Übertragbarkeit im Sinne der Bionik möglich erscheint.

Reynoldsidentität Reb = ReD [−] (3)

Die Größenordnungen der Reynoldszahlen für Flugzeuge und Seefahrzeuge rangieren in einem Bereich von fünf Dekaden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den Konstrukteur und Entwickler technischer fluidischer Systeme sind die Strömungsverhältnisse in einem Design-Kontrollraum (Design-Space) unterschiedlicher geometrischer Form und Größe ein wichtiges Kommunikationsmittel. Für Strömungsbauteile und Anbauten, etwa den Leit- und Steuerflächen an Schiffen, existieren aufgrund gut dokumentierter messtechnischer Untersuchungen und zunehmender Verfügbarkeit moderner Hard- und Software zur Strömungssimulation genügend Detailinformationen. Anders auf der Seite der biologischen Analyse. Werden ganze Lebewesen betrachtet, sind oftmals Informationen über das Strömungsgebiet und auch der signifikanten Längen, hier die Rumpf- oder Körperlängen der Lebewesen, gegeben. Schwieriger gestaltet sich die Betrachtung einzelner Körperteile, etwa des (bewegten, schlagenden) Flügels einer Stubenfliege oder die Beobachtung des Aufsteilens des Gefieders eines landsegelnden Geiers oder der Flossenschlag eines Fisches. Ein Kataster typischer Strömungsszenarien an signifikanten Lebewesenkörperteilen wie sie in der biologischen Welt vorkommen mögen, existiert nicht. Das Problem ist seit langem gleichermaßen bekannt wie ungelöst. In den Naturwissenschaftlichen Instituten existieren durchaus ergiebige Mengen an Daten und Kennwerten zur Biomechanik der Lebewesen. Doch liegen diese Informationen selten in einer für den Konstrukteur brauchbaren Form vor. Tabelle (5) benennt einige Reynoldszahlen von Strömungsszenarien um ganze Tiere oder Lebewesenkörperteilen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Reichhaltiges Datenmaterial existiert auf den Gebieten der (Human- und Bio-) Allometrie, Isometrie und der biologischen Similaritäten [Guen-98] [Gör-75] [Hux-32] [Fli02] [Cal-84] [Pflu-96] [Tho-92] [Zie-72]. Interessanterweise werden in den zu diesem Aufsatz recherchierten Arbeiten ausschließlich Ergebnisse massebezogener iso- und allometrischer Messungen und Berechnungen zitiert. Die tradierte Methode der ReynolsSimilarität (Form (3)) sei als Exempel für die Herangehensweise einer Übertragung von in der Natur beobachteten Phänomenen auf Technik genannt.

[...]

Ende der Leseprobe aus 10 Seiten

Details

Titel
Methoden in der Bionik: Kennzahl für die Fluid-Struktur-Wechselwirkung
Hochschule
Beuth Hochschule für Technik Berlin  (Bionic Research Unit )
Autor
Jahr
2011
Seiten
10
Katalognummer
V184140
ISBN (eBook)
9783656088387
ISBN (Buch)
9783656088721
Dateigröße
421 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Bionik, Strömungsmechanik, Similaritäten
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor), 2011, Methoden in der Bionik: Kennzahl für die Fluid-Struktur-Wechselwirkung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/184140

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