BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM (B-I-C)

BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM
(B-I-C)

Fluiddynamik

Ein wichtiger Forschungsbereich am B-I-C ist die Fluiddynamik. Hier bieten biologische Organismen auf fast jeden Spezialfall  bestangepasste Strategien und Prinzipien, die an Effizienz und Funktionalität technologische Objekte in vielen Aspekten übertreffen. Oft wirken biologische Ansätze auf den ersten Blick widersprüchlich, erweisen sich aber bei genauerer Betrachtung als Vorteilhaft: So verursachen im Vergleich zu einer glatten strukturierte Oberflächen (z.b. Haihaut, Salvinia-Pflanze) weniger Reibung und gefaltete Strukturen (Libellenflügel) einen höheren Auftrieb als ein ebene Platte.

Methodisch greift dabei das B-I-C sowohl auf empirische Messmethoden (siehe Creative Labs für Hydrodynamik und Aerodynamik) als auch rechnergestützte Simulationen zurück (CFD).   

# Kompetenzen

Am B-I-C wurden viele Projekte unter Berücksichtigung fluiddynamischer Effekte durchgeführt. Daher überschneiden sich die aktuellen Projekte mit anderen Forschungsschwerpunkten des B-I-C. Erforscht wurden bisher eine Vielzahl von Phänomenen, unter anderem die Tragflächen der Insekten, Konzepte des Vogelfluges, der Schlagantrieb von Fischen und die strömungsmechanischen Eigenschaften von Oberflächenstrukturierungen.    

Der knöchernde Tuberkel im Nasenloch der Wanderfalken gilt als Hilfsmittel bei der Atmung, insbesondere bei den hohen Geschwindigkeiten im Sturzflug, die bis zu 360 km/h betragen können. 

Um die interne Geometrie des Atmungssystem im Schnabel nachvollziehen zu können, wurden MicroCT-Scans des Schädels angefertigt. Auf Basis dieser Kenntnisse wurden Modelle konstruiert und analysiert. Hier dargestellt ist eine vereinfachte 2D-Geometrie der Nasenöffnung sowie der ersten Kaverne bei einem Anströmwinkel von 20°. Eine numerische Untersuchung (CFD) zwischen diesem Modell mit und einem ohne Tuberkel zeigt die unterschiedliche Wirbelbildung. 

Generell lieferten experimentelle und numerische Untersuchungen Hinweise auf eine Reduktion der Druckschwankungen im Fluid, was den Atemvorgang positiv beeinflussen kann. Entsprechende strömungsberuhigende Strukturen sind im technischen Bereich von großem Interesse, etwa um ein Aufschaukeln von Eigenfrequenzen zu vermeiden (Quelle Falke: Domenic Blair, Quelle MicroCT-Scan und Modelle: Kesel et al. 2017). 

# Aktuelle Projekte

Erforscht werden aktuell Luft-haltende Oberflächen nach Vorbild der Salvinia-Pflanze. Bis April 2022 wurde der Einsatz zur Reibungsreduktion an Schiffrümpfen in dem EU-Projekt AIRcoat erprobt, jetzt wird auf diesen Erkenntnissen aufbauend im BMBF-Projekt AIRtube untersucht,  inwieweit auch die strömungsmechanischen Eigenschaften von Innenoberflächen von Rohren und Schläuchen optimiert werden können.

Im ROV-Projekt werden Hüllen für unterschiedliche Einsatzgebiete für Unterwasser Robotik Systeme nach biologischen Vorbildern gestaltet. Das strömungsmechanische Verhalten ist auch hier integraler Bestandteil der Forschung. 

Digitalmikroskop-Aufnahme eines Wassertropfens auf einem Salvinia-Blatt und erster Ansatz eines Messtand-Prototyps zur Überprüfung von Strömungseffekten in Rohren für das Projekt AIRtube (Foto: B-I-C).

 

Drei aktuelle Modellvarianten aus dem ROV-Projekt und die Analyse des Nachlauf-Strömungsbildes eines der Modelle mit Hilfe des PIV-Verfahrens.