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Development, Control and Recovery of Leading- and Trailing-Edge Vortices in Tandem-Airfoil Configurations

Rival, David Emory :
Development, Control and Recovery of Leading- and Trailing-Edge Vortices in Tandem-Airfoil Configurations.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Development, Control and Recovery of Leading- and Trailing-Edge Vortices in Tandem-Airfoil Configurations
Language: English
Abstract:

Particle Image Velocimetry (PIV) has been used to uncover the two distinct aerodynamic mechanisms associated with cruise and hover conditions in tandem-airfoil configurations, i.e. dragonfly flight. The studies performed here have been carried out at transitional Reynolds numbers and reduced frequencies corresponding to dragonfly flight, which in turn are relevant to the development of Micro Air Vehicles (MAVs). The associated vortex dynamics of these strongly separated flows have been examined using vortex-tracking, pressure-integration and control-volume methods. To a lesser extent, direct force measurements and URANS-based numerical simulations have been used to support the findings. At first the formation and manipulation of leading-edge vortices (LEVs) and trailing-edge vortices (TEVs) for a single airfoil have been examined using non-sinusoidal kinematics and the theory of optimal vortex formation. Results show that the development of the LEV can be modified without the need for a span-wise flow, contrary to popular belief. In a similar fashion, the TEV can be reduced or even completely mitigated through the superposition of a quick-pitch motion near the bottom of the stroke. Subsequently, the studies of tandem configurations in cruise conditions revealed that the vortex-formation process for the forefoil is strongly influenced by the placement of a hindfoil in its wake, be it static or moving. In strong agreement with observations made on live dragonflies, airfoil configurations with specific out-of-phase kinematics of approximately ψ=60° were found to generate net thrust. The mechanism for this thrust production was identified as the formation of a leading-edge suction bubble on the hindfoil induced by the passing of the forefoil LEV. Similarly, the passing forefoil TEV was found to induce a vortex on the hindfoil, which in turn helped reduce power consumption on the upstroke. Finally, time-resolved PIV investigations into tandem hovering identified a beneficial interaction at ψ=90° in which the forefoil TEV interacted with the development of the hindfoil LEV. This aerodynamic mechanism in turn adjusted the strength and positioning of the hindfoil TEV, thus affecting thrust and power consumption. This result agrees with observations in nature and analogous force measurements for three-dimensional flapping wings, suggesting again that a span-wise flow is not necessarily a requirement for efficient vortex control but rather a result of the evolutionary restrictions in nature towards root-flapping flight.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die aerodynamischen Vorgänge, wie sie beim Reise- und Schwebeflug von Libellen vorkommen, wurden mit zwei Profilen in einer Tandemanordnung erzeugt und mit Hilfe von Particle Image Velocimety (PIV) erfasst. Hierbei wurden Reynolds Zahlen im Transitionsbereich und reduzierte Frequenzen untersucht, die den Flügelschlag von Libellen abbilden und somit für die Entwicklung von Micro Air Vehicles (MAVs) relevant sind. Die Dynamik der Wirbelstrukturen, die sich in den stark abgelösten Strömungen über den Profilen bilden, wurde durch die Berechnung der Trajektorien der Wirbelzentren, der Druckintegrale und der Kontrollvolumenmethode analysiert. Weiterhin wurden Kraftmessungen und numerische Simulationen (URANS) durchgeführt, um die Ergebnisse abzusichern. Als erstes wurden Entstehung und Beeinflussung der Vorderkanten- und Hinterkantenwirbel an einem einzelnen Profil untersucht, indem eine nicht-sinusförmige Kinematik und das Konzept der optimalen Wirbelbildung angewendet wurden. Entgegen der gängigen Meinung, zeigen die Ergebnisse, dass der Vorderkantenwirbel ohne das Vorhandensein einer Strömungskomponente in Querrichtung beeinflusst werden kann. Ebenso kann der Hinterkantenwirbel durch die Überlagerung einer schnellen Nickbewegung im Tiefpunkt der Hubbewegung reduziert oder sogar komplett getilgt werden. Die darauf aufbauende Analyse der Strömung, die sich in der Tandemanordnung ergibt, zeigt für den Reiseflug, dass die Wirbelbildung am vordern Profil stark durch die Position des hinteren Profils beeinflusst wird. Dies gilt sowohl für den Fall, in dem das hintere Profil statisch ist, als auch, wenn es ebenfalls bewegt wird. Messungen bei verschiedenen Phasenwinkeln zwischen den Profilen haben gezeigt, dass bei einem Phasenwinkel von ψ=60° in der Summe ein Schub entsteht, was in Übereinstimmung mit Beobachtungen aus dem Libellenflug ist. Der für den Schub verantwortliche Mechanismus, konnte als eine Tiefdruck-Blase am hinteren Profil, die durch den vorüberziehenden Vorderkantenwirbel des vorderen Profils verursacht wird, identifiziert werden. In gleicher Weise entsteht durch das Vorüberziehen des Hinterkantenwirbels des vorderen Profils ein induzierter Wirbel am hinteren Profil, der den Energieverbrauch innerhalb der Aufwärtsbewegung verringert. Abschließend wurde die Strömung, die sich für die Tandemanordnung im Schwebeflug ergibt, mit Hilfe von zeitaufgelösten PIV-Messungen erfasst. Hierbei ergab sich, in Übereinstimmung mit den Erkenntnissen von Libellen, ein Phasenwinkel von ψ=90°, bei dem der Hinterkantenwirbel des vorderen Profils eine positive Wirkung auf die Entstehung des Vorderkantenwirbels des hinteren Profils hat. Dieser Mechanismus bestimmt die Stärke und Position des Hinterkantenwirbels am hinteren Profil und beeinflusst dadurch die Schuberzeugung und den Energieverbrauch. Diese Ergebnisse stimmen sowohl mit den Beobachtungen in der Natur, als auch mit Kraftmessungen an dreidimensionalen Schlagflügelmodellen überein. Dies legt die Vermutung nahe, dass die Strömungskomponente in der Querrichtung des Flügels nicht für eine effektive Kontrolle der Wirbelstrukturen notwendig ist, sondern aus den Einschränkungen bei der evolutionären Entwicklung von Schlagflügel herrührt.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Strömungslehre und Aerodynamik
Date Deposited: 23 Oct 2009 09:27
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-19290
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Tropea, Professor Cameron and Radespiel, Professor Rolf
Refereed: 14 October 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1929
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