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CFD-Untersuchungen zur Strömung an der Brustflosse eines Buckelwals - Beginn 2004

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Buckelwale

CFD

mögliche Anwendungen

Literatur

Seepocken: Parasitenbefall oder Symbiose? (Inspiriert von Fotos der Brustflossen)

Beobachtung:
- Die Seepocken siedeln exakt in den von uns für die Flosse ohne Buckel identifizierten Ablösegebieten im Bereich der Hinterkante.
- Wie schon früher beobachtet siedeln die Seepocken ausserdem im Bereich der Turberkel-Spitze.
- Bestimmte Walarten scheinen Seepocken-Befall als Waffe zu nutzen um sich gegen Orcas zu wehren (vgl. Vortrag "Fight or Flight" auf der Konferenz in Kapstadt 2007)

Fragen:
- Welchen Einfluss hat eine derartige Struktur auf die Strömung?
- Bei der bisher beobachteten Beweglichkeit es Wals sollte es überhaupt kein Problem sein, die Pocken von den Flossen abzuschaben - Sei es an einem Stein auf dem Meeresboden oder schlicht am Körper (Abgleich Walforscher: Stimmt doch so, d.h. Wal kommt mit Flossen an Körper, oder?).
- Gibt es eine spezielle Hautbeschaffenheit an diesen Stellen, die die Ansiedlung von Seepocken begünstigt? Ist das mal untersucht worden, vielleicht auch bei anderen Tieren?

Mögliche Schlußfolgerung / Arbeitshypothese:
1.) Die Seepocken haben einen positiven Effekt auf die Strömung, ähnlich den Tuberkeln (Passive flow control). Sie verhindern Ablösungen im hinteren drittel des Profils.
2.) Der Wal lässt die Seepocken da wachsen (bzw. entfernt sie dort nicht), weil er das weiss! Und falls das zutrifft: ist das ein erlerntes Verhalten (Mama sagt: "Lass die dran, die sind nützlich") oder ist das Instinkt?
3.) Die Hautoberfläche ist an bestimmten Stellen der Flosse besonders "geeignet", um dort Seepocken anzusiedeln.


Detektion von Strömungsablösungen? (inspiriert von Fotos des Oberkiefers)

Beobachtung:
- Der Buckelwal scheint Borsten im  Tuberkel-Zentrum zu haben - man erkennt das auf Zoom-Aufnahmen vom Oberkiefer (z.B. von A.Rose)
- Robben nutzen ihre Vibrissen, um die Wirbel eines vorbeischwimmenden Fischs zu detektieren.

Frage:
-Hat der Buckelwal die "Borsten" auch an den Tuberkeln der Brustflosse? Könnten diese Tuberkel also neben der Strömungsformung noch eine weitere Aufgabe haben? Z.B. Detektion von Ablösungen, Anströmrichtung, Geschwindigkeit, Turbulenzgrad des Wassers usw? Das müßte man am Verlauf der Nervenbahnen sehen können - ist das mal untersucht worden?
- Ist vielleicht eine solche Borsten-Struktur der Grund für die Ansiedlung von Seepocken?

Mögliche Schlußfolgerung / Arbeitshypothese:
1.) Der Wal kann mithilfe solcher Tuberkel eine Strömungsanalyse durchführen und seine Flossen so in einem Optimalpunkt kurz vor Ablösung halten, um die Steuerwirkung zu maximieren. Wie man das allerdings in der Praxis nachweisen soll ist mir ein absolutes Rätsel...

Tuberkel = Flatter-Dämpfung (inspiriert von Gespräch mit Wolf (Biologe, Zoo Köln) am 21.12.2007)

Beobachtung:
- Vibrissen (Schnurrhaare) von Robben haben eine ondulierte (gewellte) Struktur, ganz grob ähnlich einer Perlenkette. Sie dient nach aktuellem Forschungsstand dazu, instationär abschwimmende Wirbelstrukturen zu minimieren, damit die Haare nicht durch die Eigenbewegung der Robbe in Schwingungen versetzt werden (in dem Fall wären sie als Detektor ungeeigenet)

Frage:
- Dienen die Tuberkel beim Buckelwal eventuell auch als Dämpfer, um ein unkontrolliertes Flattern der Flosse(-nspitze) zu vermeiden oder zu reduzieren? Schließlich sind 3-5m Flossenlänge eine ganz schöne Herausforderung an die Muskulatur.
- Kann die Existenz einer solchen Wirbelstruktur das schlechte Konvergenzverhalten unserer bisherigen, stationären Rechnungen erklären?

Mögliche Schlußfolgerung / Arbeitshypothese / Überprüfungsmöglichkeit:
1.) Wenn die Tuberkel einen solchen Effekt auf die Flosse haben, dann müßte man mit der von uns bisher generierten Lösung für 10° in Wasser als Startbedingung eine instationäre Rechnung durchführen können, um zu prüfen, ob periodische Wirbel entstehen und abschwimmen. Die Schwankung das statischen Drucks an der Flossenoberfläche gibt ein Maß für die eingeleiteten Kräfte. 


Verschluckbarer Sensor (eigene Überlegungen auf der Konferenz in Kapstadt)

Beobachtung:
- Es ist nicht trivial, an Buckelwalen dauerhaft Meßtechnik anzubringen. 
- Aussen am Körper angebrachte Meßtechnik kann eventuell die hydrodynamischen Eigenschaften des Wals so sehr stören, daß die Beobachtungsergebnisse nicht mehr das Verhalten eines "normalen" Wals wiederspiegeln.

Frage:
- Welche Meßdaten lassen sich gewinnen, wenn man mit einem Sensor arbeitet, den der Wal verschluckt?

Mögliche Schlußfolgerung / Arbeitshypothese / Überprüfungsmöglichkeit:
- Ein Verschluck-Sensor müßte folgende Daten aufnehmen können: Druck (ist proportional zur Tauchtiefe!), Körper-Temperatur (variiert, solange der Sensor im Magen ist - ist ein Maß für den Jagderfolg!), Ph-Wert der Magensäure, Schall (Herzschlag, Atemfrequenz, ...), Beschleunigungsdaten, Probe des Magen- oder Darminhalts.
- Mit Ausscheiden des Sensors aus dem Wal kann ein kleiner Ballasttank ausgeblasen werden, um so den Sensor an die Wasseroberfläche zu bringen. Dort kann entweder ein GPS-Transponder aktiviert werden, um die aktuelle Position zu ermitteln und ein Einsammeln des Sensors möglich zu machen oder die gewonnenen Daten werden direkt per Satellit übertragen.

3d-Modell eines Buckelwals als DFG-Antrag? (eigene Überlegungen )

Beobachtung:
- Es gibt bisher keine 3d-Messungen der Geometrie großer Meeressäuger (Weder Buckelwal noch sonst irgendeiner).

Frage:
1.) Wie kann man solche Daten prinzipiell gewinnen
2.) Für wen sind die interessant?
3.) Wozu kann man sie nutzen?

Mögliche Schlußfolgerung / Arbeitshypothese / Überprüfungsmöglichkeit:
1a.) Finanzierung: Wenn sich genügend Argumente finden lassen, eine solche Messung interessant zu machen, liesse sich ein Forschungsantrag (ist DFG hier ideal?) schreiben, um ein entsprechenes Vorhaben zu finanzieren.
1b.) Technische Umsetzung: Da der Wal sich üblicherweise in Bewegung befindet scheinen Verfahren wie Laserscans ungeeignet, da sie eine endliche Zeit zur aufnahme der Geometrie benötigen, für die der Wal stillhalten muß. Deutlich geeigneter erscheint der Einsatz von Stereokamers, die ähnlich der Verfahren in der Film-Tricktechnik auch gleich ein Bewegungsmuster aufnehmen könnten. Um die Auswertung solcher Bilddaten zu erleichtern ist es im Kinogewerbe üblich, den Schauspielern Anzüge mit markierten Fixpunkten anzuziehen, so daß bestimmte Punkte seiner Oberfläche mit guter Genauigkeit wiedergefunden werden können.
2.) Filmindustrie, Biologen, Strömungsphysiker, Schiffsbauer
3a.)Schwimmverhalten erlernt oder angeboren? Variationen zwischen versch. Populationen nachweisbar?
3b.)Energieaufwand für gefundene Bewegungsmuster abschätzen, mit anderen Energiebilanzierungsverfahren vergleichen. Ist so ein Flossenantrieb eigentlich wirtschaftlicher als einer per Propeller?
3c.)Modell für Museen, Bildungsstätten usw. zur Verfügung stellen
3d.)Korellation zwischen exaktem Volumen des Tiers und Alter, Geschlecht, Wachstumsgeschwindigkeit (->daraus evtl. Rückschlüsse auf Futterverfügbarkeit), Gesundheitsstatus, ...
3e.)Flow-Simulations - Validierung von Codes, Vergleich Schwimmstrategien verschiedener Wale, vielleicht fallen dabei ein paar Optimierungsideen für Schiffe oder U-Boote ab.
3f.)diverse Bionik-Ideen (z.B. Antrieb von Mini-Ubooten, Konturoptimierung für Schiffe -> Wirbel/Ablösungen vermeiden)


Bis zu welcher Strömungsgeschwindigkeit kann ein Furchenwal sein Maul aufmachen? (eigene Üerlegungen)

Beobachtung:
- Wenn ein jagender Furchenwal sein Maul öffnet nimmt er mehrere Tonnen (ca. 25-33% seines Eigengewichts?) unbewegten Wassers in sich auf.
- Er gibt dabei seine hydrodynamisch optimierte Kontur auf und erfährt massive Verzögerungskräfte, da er das Wasser auf seine Eigengeschwindigkeit beschleunigen muß.
- Die Masse des aufgenommenen Wassers verschiebt seinen Körperschwerpunkt, so daß der Wal ein Nickmoment nach unten erfährt (Vermutung!)

Frage:
- Müssen die gesamten Kräfte über die Nackenmuskulatur und die Wirbelsäule abgeleitet werden oder lässt sich ein Teil davon direkt auf den Brustkorb übertragen?
- Ab welcher maximalgeschwindigkeit besteht die Gefahr von Verletzungen durch die auftretenden Kräfte?
- Sind solche Verletzungen eventuell bei Jungtieren beobachtet worden, d.h. muss ein junger Wal erst lernen, daß es eine doofe Idee ist, bei voller Fahrt sein Maul aufzureissen?
- Es ergibt sich ein Problem bei der Wahl der optimalen "Jagdgeschwindigkeit". Da die Beute mobil ist, hat es Vorteile schnell zu schwimmen; die Maul-Auftreiss-Problematik fordert hingegen eine niedrige Geschwindigkeit. Wie geht der Wal mit diesen unterschiedlichen Anforderungen um?
- Ist im speziellen beim Buckelwal eine Strategie zu beobachten, kurz vor dem Öffnen des Mauls die Geschwindigkeit zu reduzieren?
- Beschleunigungsdaten aus der Zeit kurz vor Öffnen des Mauls wären extrem interessant - gibt es Abweichungen zwischen den Beschleunigungswerten beim Buckelwal im Vergleich zu anderen Furchenwalarten?

Mögliche Schlußfolgerung / Arbeitshypothese / Überprüfungsmöglichkeit:
1.) Man könnte anhand von anatomischen Analysen versuchen herauszufinden, wie stark der Wal durch durch das eintretende Wasser maximal belastet werden kann und so eine Abschätzung für eine "sichere" Höchstgeschwindigkeit zur Maulöffnung erarbeiten.


Struktur (inspiriert von)
Beobachtung:
-
Frage:
-
Mögliche Schlußfolgerung / Arbeitshypothese / Überprüfungsmöglichkeit:
1.)

by Kirsten 2006