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Computer-Simulation zeigt, warum Delfine so schnell schwimmen können
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Wie schaffen es Delfine, über längere Strecken mit Geschwindigkeiten bis zu 10 Metern pro Sekunde zu schwimmen?
Nach den Grundregeln der Physik müssten die Muskeln dieser Tiere siebenmal kräftiger sein, als sie es tatsächlich sind,
um eine derartige Geschwindigkeit zu erreichen. Eine andere Erklärung wäre, dass die Delfine die Reibung zwischen ihrer
Haut und dem Wasser auf einen sehr viel niedrigeren Wert reduzieren könnten als dies bei anderen Körpern im Wasser der
Fall ist.
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Auf der Suche nach dem Geheimnis hinter der Geschwindigkeit der Delfine: die Software COSMOSFloWorks™ und EFD.Lab
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Dazu müssten sie in der Lage sein, entlang ihres Körpers statt der turbulenten Strömung, die man bei ihrer Geschwindigkeit
eigentlich erwarten würde, eine laminare Strömung aufrechtzuerhalten. Eine solche laminare Strömung würde den Strömungswiderstand
erheblich reduzieren und damit die außergewöhnliche Geschwindigkeit der Delfine erklären.
Der Wissenschaftler V.V. Pavlov an der Crimean State Medical University in der Ukraine hat COSMOSFloWorks™, eine Software zur
Berechnung des dynamischen Verhaltens von Flüssigkeiten (CFD), dazu eingesetzt, diese Frage, die vor 70 Jahren von
Sir James Gray erstmals aufgebracht wurde und seither als „Grays Paradoxon“ bekannt ist, zu untersuchen. Pavlov simulierte
hierzu detailliert die hydrodynamischen Verhältnisse um die Rückenflosse des Schweinswals (siehe auch der Aufsatz
“Dolphin skin as a natural anisotropic compliant wall,” erschienen in
Bioinspiration & Biomimetics).
COSMOSFloWorks ist ein SolidWorks-Produkt,
das von Flomerics entwickelt worden ist und dem die gleiche Technologie zugrunde liegt, wie den Softwareprodukten EFD.Lab,
EFD.Pro und EFD.V5, die ebenfalls von Flomerics stammen.
Pavlov fand dabei heraus, dass sich die Form der Haut des Delfins den Strömungsverhältnissen um die Rückenflosse anpasst.
Er schloss daraus, dass die Hautstruktur es offenbar ermöglicht, dass sich die Grenzschicht zwischen Haut und Strömung
in den Bereichen vorteilhafter bzw. weniger vorteilhafter Druckgradienten wie eine anisotrop nachgiebige Fläche verhält.
Augenscheinlich ist die Haut in der Lage, die Entstehung von Instabilitäten in der Grenzschicht zu verhindern und damit Turbulenzen zu verringern. Diese Erkenntnis könnte bei der Entwicklung nachgiebiger Oberflächen helfen, mit denen sich u.a. bei Schiffen und Flugzeugen höhere Geschwindigkeiten bei niedrigerem Treibstoffverbrauch erreichen ließen.
„Die Eleganz, mit der die Natur Probleme löst, ist eine Inspiration für Techniker und Ingenieure,“ so Pavlov.
„Die Technik zur Verringerung des Strömungswiderstands, die die Delfine in über 50 Millionen Jahren zur Perfektion
entwickelt haben, ist es deshalb wert, untersucht zu werden, weil sie das Potenzial birgt, unsere menschlichen
Transportmittel zu verbessern. Beim Studium der Beziehung zwischen der Strömung um die Flosse des Delfins und
seiner Haut haben wir Einsichten gewonnen, die bei der Entwicklung nachgiebiger Oberflächen von großem Wert sein können.
COSMOSFloworks hat bei dieser Analyse durch seine nahtlose Integration in die Solidworks 3D-CAD-Software eine
entscheidende Rolle gespielt,“ fuhr Pavlov fort. „Damit waren wir in der Lage, eine direkte Analyse des geometrischen Modells,
das wir von der Flosse des Delfins erstellt hatten, auszuführen und gleichzeitig die gesamte Intelligenz im 3D-Modell zu behalten.
Die CFD-Software erleichtert die Strömungssimulation ganz erheblich, denn sie erstellt automatisch eine Analyse der Geometrie
und erzeugt die Zellenstruktur für die Berechnung im Hintergrund, während der Anwender mit der ihm vertrauten CAD-Schnittstelle
arbeitet.“
Interessierte Leser können sich
hier registrieren
und eine kostenlose Demonstration von EFD.Lab erhalten.
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