Zur Erforschung der Strömungswirklichkeit von Surfboardfinnen kommen numerische Simulationsprogramme zum Einsatz. Gegenstand dieser Untersuchung sind synthetische Tragflügel, die als artifizielle, standardisierte Laborfinnen, so genannten LABFins definiert werden. Dieserart ist die „qFin“ eine lateral und axial symmetrische Surfboardfinne mit elliptischer Profilkontur und quadratischer Tragfläche. Bei der Analyse mit der Potentialtheorie werden Gleichungen gelöst, deren verallgemeinernde Beschreibung einer raum- und materialbezogenen Form, der sogenannte Arbitrary Lagrangian-Eulerian-Formulierung folgt. Die Berechnungsergebnisse liegen in Diagrammen und Tabellen vor.
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. Die numerische Strömungsmechanik ist eine Schlüsselkompetenz in der Ingenieurausbildung und in der anwendungsbezogenen Forschung. Die rezente Forschung der BIONIC RESEARCH UNIT der Beuth Hochschule für Technik Berlin betrifft die Untersuchung strömungs-mechanischer Phänomene von flexiblen, belastungs-adaptiven Tauch- und Schwimmkörper-strukturen mit analytischen, experimentellen und numerischen Methoden mit dem Ziel, ein Handbuch mit Regeln für Konzepte, Entwürfe und Konstruktionen innovativer Leit- und Steuertragflächen, insbesondere für Surfboardfinnen zu erarbeiten.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Strömungssimulation
3. Standardisierung LABFin, ELL-Profil und Fin
4. qFin
5. Berechnete und abgeleitete Größen in LABFin
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die Strömungswirklichkeit von Surfboardfinnen durch die Entwicklung eines standardisierten Laborfinnen-Systems (LABFin) und den Einsatz numerischer Simulationsverfahren zu untersuchen, um ein Handbuch für zukünftige Entwürfe innovativer Leit- und Steuertragflächen zu erarbeiten.
- Entwicklung und Parametrisierung einer standardisierten Laborfinne (LABFin)
- Einsatz numerischer Verfahren zur Strömungsanalyse (Potentialtheorie)
- Vergleich der Strömungseigenschaften verschiedener Profilgeometrien
- Validierung der Simulationsmodelle durch Kennzahlen (Auftrieb, Widerstand)
- Untersuchung des Übergangsverhaltens im Stall-Bereich
Auszug aus dem Buch
STANDARDISIERUNG LABFin, ELL-Profil und Fin
Die LAB-Fin-Standardisierung betrifft eine vollparametrisierte Laborfinne deren Gestalt mit geringen deklaratorischen Mitteln beschreiben werden kann. Die Laborfinne dient in der laufenden Forschungskampagne als Technik- und Technologiedemonstrator. Der LAB-Fin-Standardisierung liegt die Idee einer fludmechanisch wirksamen Leit- und Steuertragfläche für kleine Seefahrzeuge zu Grunde, die durch einfache geometrische Elemente beschrieben wird. LAB-Fin kann skaliert und mit unterschiedlichen Profilkonturen ausgestattet werden.
Für die Beschreibung der Konturen wird auf Datenbanken oder Profiltabellen verwiesen (siehe hierzu auch: Abbot und Doenhoff, Eppler und Gorrell). Die Laborfinne LAB-Fin ist ein standardisierter Messkörper, der durch lediglich vier Parameter [P0] [P1] [P2] [P3] eindeutig definiert ist. Der Parameter P0 ist die Profiltiefe an der Flügelwurzel t [mm], der Parameter P1 ist die spezifische Profildicke d/t [%], der Parameter P2 ist die spezifische Profiltiefe am Tragflügelende (Flügel-Tip) b/t [%], der Parameter P3 ist die spezifische Tragflügellänge a/t [%] der Finne. Die Profilkontur und weitere Features der Finne, die das Strömungsteil spezifizieren, können der Deklaration nachgestellt werden, wie folgt: LABFin[t,mm],[d/t,%],[a/t,%],[b/t,%],[Feature 1],…,[Feature n]
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel erläutert die Relevanz der Strömungssimulation in den Ingenieurwissenschaften und führt in die Thematik der bionischen Forschung an flexiblen Strömungskörpern ein.
2. Strömungssimulation: Hier werden die theoretischen Grundlagen der Fluidmechanik, insbesondere der Potentialtheorie und der Navier-Stokes-Gleichungen, sowie deren Anwendung in numerischen Simulationsprogrammen dargelegt.
3. Standardisierung LABFin, ELL-Profil und Fin: Dieses Kapitel beschreibt die Entwicklung eines parametrisierten Standards für Laborfinnen, um diese durch wenige geometrische Kenngrößen eindeutig definierbar und vergleichbar zu machen.
4. qFin: Der Fokus liegt auf der Anwendung des synthetischen Finnensystems „qFin“, dessen Strömungseigenschaften und Leistungsdaten im Vergleich zu Standardprofilen analysiert werden.
5. Berechnete und abgeleitete Größen in LABFin: Dieses abschließende Kapitel listet systematisch die geometrischen, kraftbezogenen und energetischen Kenngrößen auf, die zur Validierung der Finnenmodelle herangezogen werden.
Schlüsselwörter
Strömungssimulation, LABFin, Potentialtheorie, Profilgeometrie, Surfboardfinnen, Tragflügel, Navier-Stokes-Gleichungen, Auftriebsbeiwert, Widerstandsbeiwert, Strömungswirklichkeit, bionische Forschung, numerische Strömungsmechanik, Fluid-Struktur-Wechselwirkung, Anstellwinkel, Stall.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der methodischen Untersuchung der Strömungseigenschaften von Surfboardfinnen unter Verwendung von standardisierten Simulationsmodellen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die numerische Strömungsmechanik, die Standardisierung von Finnen-Geometrien sowie die Analyse von Auftriebs- und Widerstandswerten.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Erstellung eines standardisierten Systems (LABFin), das als Grundlage für zukünftige Entwicklungen und Forschung an innovativen Leit- und Steuertragflächen dient.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit stützt sich primär auf potentialtheoretische Berechnungsverfahren und numerische Simulationen, ergänzt durch klassische Methoden der technischen Mechanik.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die mathematische Formulierung der Strömungsproblematik, die Definition der geometrischen Standardisierung für Finnen sowie die Auswertung spezifischer Leistungsparameter.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Strömungssimulation, Potentialtheorie, LABFin, Auftriebsbeiwert und Tragflügelgeometrie.
Warum ist die Standardisierung der Finnen wichtig?
Die Standardisierung ermöglicht eine eindeutige Vergleichbarkeit verschiedener Entwürfe durch eine geringe Anzahl an Parametern, was den Forschungsaufwand erheblich reduziert.
Was ist das „qFin“-System?
qFin ist ein synthetisches Finnensystem, das als Referenzkörper dient, um Strömungsvorgänge und Leistungswerte unter standardisierten Bedingungen zu untersuchen.
Wie verhält sich die Finne im Stall-Bereich?
Im Bereich des Strömungsabrisses (Stall) zeigt die Finne ein signifikantes „Einknicken“ der Auftriebskurve, was eine detaillierte Analyse der Strömungsphänomene erfordert.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor:in), 2017, Zur potentialtheoretischen Untersuchung der Strömungswirklichkeit einer standardisierten Laborfinne, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/365648
