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Aerodynamik des Schlagflugs
Kurzdarstellung des Projektes
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.
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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 Komponenten 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.
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Bild 1: Graphische Rekonstruktion des Nachlaufes
eines Vogels im Schlagflug nach Modellmessungen. (Quelle: William
Thielicke) |
Projektziele
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.
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Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof.
Dr. Eize Stamhuis (Leitung), William
Thielicke, Prof.
Dr. Antonia B. Kesel
Kooperationspartner
- Department
of Ocean Ecosystems, University of Groningen, NL
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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.
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