Experimental Investigation of the Aerodynamics of Owl Wings

Beschreibung

Während des letzten Jahrzehnts wurde die Entwicklung kleiner Fluggerät für spezielle Kurzzeitmissionen angestrengt. Heutige Forschung zielt auf die Entwicklung von Fluggeräten in der Größe von Vögeln, den Micro Air Vehicles (MAVs), ab. Die Entwicklung von MAVs stellt sich, aufgrund der niedrigen Fluggeschwindigkeit und den resultierenden aerodynamischen Fragestellungen, als Herausforderung dar. Die Schleiereule steht für die Anpassung einer Vogelart an die Umgebungsbedingungen, die vor allem das Flugverhalten bei niedrigen Geschwindigkeiten beinhaltet. Wegen der Anpassungen an Flügeln und Gefieder kann sie als Vorbild für zukünftige Entwicklungen im Bereich der MAVs dienen. Um ein vertiefendes Verständnis der Mechanismen des Eulenfluges zu erhalten, werden Flügelmodelle konstruiert, die auf der Geometrie von natürlichen Flügeln basieren und die einzeln mit den eulenspezifischen Anpassungen ausgestattet werden. Zunächst wird die gezahnte Vorderkante imitiert, wobei die Messungen mit den Resultaten eines glatten Flügelmodells, verglichen werden. Daraufhin werden die Flügelmodelle mit künstlichen Stoffen, die die Oberfläche eines natürlichen Eulenflügels nachbilden, ausgestattet und wie zuvor werden die Ergebnisse mit denen des Referenzflügelmodells verglichen. Zuletzt wird versucht, das Flugsystem des natürlichen Eulenflügels anhand von Messungen an zwei verschiedenen, in Gleitflugposition präparierten, natürlichen Eulenflügel zu verstehen. Das Strömungsfeld der verschiedenen Konfigurationen wird anhand verschiedener Techniken der Particle Image Velocimetry (PIV) analysiert. Da die PIV Messungen auf einige wenige Positionen in spannweitiger Richtung des Flügels limitiert sind, werden zusätzlich Kraftmessungen zur Untersuchung aerodynamischer Kräfte durchgeführt.
Während des letzten Jahrzehnts wurde die Entwicklung kleiner Fluggärate für spezielle Kurzzeitmissionen, wie z.B. Such-, Rettungs- oder Überwachungsmissionen, verstärkt angestrengt. Heutige Forschung zielt auf die Entwicklung von kleinen, autonom agierenden Fluggeräten ab, die in der Größe von Vögeln oder gar Insekten liegen und dieMiniature- oder Micro Air Vehicles (MAVs) genannt werden. Diese MAVs müssen zahlreichen Anforderungen,wie z.B. gute Manövrierfähigkeit und Stabilität hinsichtlich ihres Flugverhaltens, genügen. Die Entwicklung von MAVs stellt sich, aufgrund der niedrigen Fluggeschwindigkeit und der kleinen Abmaße sowie der damit verbundenen aerodynamischen Fragestellungen, als Herausforderung dar. Strömungen bei niedrigen Reynoldszahlen sind durch eine erhöhte Anfälligkeit für Ablöseerscheinungen charakterisiert, welche zu einer niedrigen aerodynamischen Effizienz des Fluggeräts führt. Obwohl eine Strömungsablösung mit einer Erhöhung des Widerstands, einer Verringerung des Auftriebs sowie Druckschwankungen verbunden ist, haben sich einige Tiere erfolgreich diesen Bedingungen angepasst. Die Schleiereule (Tyto alba) steht exemplarisch für die Anpassung einer Vogelart an die Gegebenheiten ihrer Umgebung, die vor allem durch das Flugverhalten bei niedrigen Reynoldszahlen charakterisiert ist. Wegen der Anpassungen an Flügeln und Gefieder ist die Schleiereule in der Lage einen höchst wendigen Gleitflug bei sehr niedrigen Fluggeschwindigkeiten durchzuführen und kann dadurch als Vorbild für zukünftige Entwicklungen im Bereich der MAVs dienen. Ferner emittiert der Flug der Eule deutlich weniger Lärm verglichen mit dem anderer Vogelarten. Bei der Jagd in der Dämmerung oder in der Nacht verlässt sich die Eule aufgrund nur begrenzter Sicht auf akustische Signale, um ihre Beute zu erlegen. Damit dies gelingt muss die Eule allerdings fast lautlos agieren. Jeder Vogelflügel erhält seine Form durch Federn, die mit den Skelettelementen verbunden sind, wodurch er ein hohes Maß an Flexibilität besitzt. Ferner ist die Form des Eulenflügels durch einen großen Nasenradius und eine vorderkantennahe maximale Wölbung charakterisiert. Verglichen mit Vögeln, die ein ähnliches Körpergewicht haben, besitzt die Schleiereule größere Flügel, die nahezu elliptisch geformt sind. Außerdem ist die Oberseite des Flügels mit einer samtähnlichen Oberfläche ausgestattet, während der distale Teil der Vorderkante kammartige Strukturen besitzt und die Hinterkante einer jeden Flugfeder sowie des gesamten Flügels ausgefranst ist. Diese drei strukturellen Anpassungen sind während des Fluges der Luft und damit der umgebenden Strömung ausgesetzt. Um ein vertiefendes Verständnis der Mechanismen des Schleiereulenfluges zu erhalten, wurden dreidimensionale Flügelmodelle konstruiert, die auf der Geometrie von natürlichen Flügeln basierten und die einzeln mit den verschiedenen eulenspezifischen Anpassungen ausgestattet wurden. Zunächst wurde die gezahnte Vorderkante imitiert, wobei die dazugehörigen Messungen mit den Resultaten eines glatten Flügelmodells, welches nur die Form eines natürlichen Eulenflügels allerdings ohne weitere Anpassungen besaß, verglichen wurden. Somit wurde der Einfluss der Vorderkantenstruktur getrennt von anderen Anpassungen betrachtet. Daraufhin wurden die Flügelmodelle mit künstlichen Stoffen, die die Oberfläche eines natürlichen Eulenflügels nachbildeten, ausgestattet und wie zuvor wurden die Ergebnisse mit denen des Referenzflügelmodells verglichen. Zuletzt wurde versucht das hochkomplexe Flugsystem des natürlichen Eulenflügels anhand von Messungen an zwei verschiedenen, in Gleitflugposition präparierten, natürlichen Eulenflügel zu verstehen. Das Strömungsfeld der verschiedenen Konfigurationen wurde anhand verschiedener Techniken der Particle Image Velocimetry (PIV) analysiert. Es wurde, abhängig vom zu untersuchenden Strömungsfall, Zwei- und Dreikomponenten-, sowie räumlich und zeitlich hochaufgelöste PIV durchgeführt. Da die PIV Messungen auf einige wenige Positionen in spannweitiger Richtung des Flügels limitiert waren, wurden zusätzlich zeitlich aufgelöste Kraftmessungen zur Untersuchung der am Flügel einwirkenden aerodynamischen Kräfte durchgeführt.

Autor*in

Andrea Winzen

Themen in »Experimental Investigation of the Aerodynamics of Owl Wings«

Aerodynamik Flügel Schleiereule Strömungstechnik

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