Walflosse

Wie digitalisiert man eine Walflosse?

Im Rahmen dieses Projekts wurden CFD-Berechnungen (CFD - computational fluid dynamics) durchgeführt, um die Umströmung um eine Walflosse zu berechnen. Voraussetzung dafür ist zunächst eine sehr genaue Vorstellung davon, wie eine typische Walflosse überhaupt aussieht. Diese Vorstellung mußten wir dann in einem zweiten Schritt dem PC vermitteln.

Der erste Schritt erwies sich als knifflig, da Fotos und Zeichnungen nur einen zweidimensionalen Eindruck der Flosse vermitteln und wir keinen lebendigen Buckelwal zur Hand hatten. Es gibt jedoch Veröffentlichungen von Wissenschaftlern, die gestrandete Wale untersucht haben, z.B. von Fish " (Leading-edge tubercles delay stall in humpback whale flippers" - Fish et al. Physics of Fluids 2004). Unter anderem finden sich dort relativ detaillierte Beschreibungen der Flossengeometrie - allerdings waren diese Wale leider tot. Auf den Flossen eines verendeten Wals lastet, wenn sie die tiefste Stelle des Tiers bilden eine Wassersäule von 2m Höhe, d.h. ca. 200mbar statt ca. 30mbar beim (liegend gelagerten) Menschen. Es scheint durchaus plausibel, daß dies zu einem stärkeren Aufblähen führt, als an menschlichen Leichen beobachtet.

Von diesen Überlegung ausgehend starteten wir eine ausführliche Fotostudie lebender Wale. Dabei fanden wir tatsächlich, daß deren Flossen deutlich dünner sind, als bei gestrandeten Exemplaren beobachtet. Dies deckt sich auch mit Messungen, die wir an einem Buckelwalskelett im Museum in Brüssel durchführten. In der Draufsicht beobachteten wir hingegen keine Abweichungen. Entsprechend verwendeten wir für unsere Untersuchungen ein schlankeres Profil, als von Fish beschrieben.

Trotz aller Gewissenhaftigkeit ist die Form, die wir letzendlich als Grundlage unserer Untersuchungen benutzt haben, mit vielen Unsicherheiten behaftet. Sie ignoriert individuelle Unterschiede in Länge, Dicke, Formgebung, Lage und Größe der Tuberkel, internem Skelettaufbau usw. Auch die Flexibilität und Beweglichkeit der Flosse konnten wir nicht abbilden. Ihr biologischer Aufbau entspricht jedoch dem eines menschlichen Arms, mit vergleichbaren mechanischen Möglichkeiten. Videoaufzeichnungen zeigen, daß der Wal von diesen Möglichkeiten durchaus in beeindruckender Weise Gebrauch macht. Hinzu kommt, daß auf realen Flossen häufig Parasiten siedeln. Besonders Seepocken scheinen sich im Bereich der Flossenvorderkante bevorzugt anzusiedeln und es ist durchaus vorstellbar, daß sie die Strömung für den Wal positiv beeinflussen.

Als Zwischenergebnis unserer Untersuchungen entstanden zunächst von Hand gezeichnete Flossenumrisse (Draufsichten) mit und ohne Tuberkel. Aus diesen läßt sich - mit den benannten Einschränkungen - der zweite Schritt in Angriff nehmen: Die Aufbereitung der Geometriedaten für den Einsatz eines CFD-Programms. Die Handskizzen wurden gescant und in eine CAD-Software importiert. Mit der in unserer Fotostudie gefundenen Profilgeometrie wurde aus dem zweidimensionalen Umriss eine dreidimensionale Flosse erstellt. Wir verwendeten letztendlich ein NACA0012-Profil, statt des von Fish ermittelten NACA0020. Ein Profilgenerator für NACA-Profile findet sich hier:

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by Kirsten 2006