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Untersuchungen zur instationären Aerodynamik an einem vogelähnlichen Flügelschlagmodell

Hubel, Tatjana :
Untersuchungen zur instationären Aerodynamik an einem vogelähnlichen Flügelschlagmodell.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Einleitung, Zielsetzung, Stand der Forschung, Experimenteller Aufbau und Datenverarbeitung - PDF
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Ergebnisse und Diskussion (Teil 1) - PDF
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Ergebnisse und Diskussion (Teil 2) - PDF
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Ergebnisse und Diskussion (Teil 3), Literaturverzeichnis, Anhang - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchungen zur instationären Aerodynamik an einem vogelähnlichen Flügelschlagmodell
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieses Projektes sollen die Erkenntnisse zur instationären Aerodynamik des Schlagfluges vertieft und ausgebaut werden. Es wird eine Empfindlichkeitsanalyse der Haupteinflussparameter für den widerstandsarmen Schlagflug mit Augenmerk auf den Parameterbereich 104 < Re < 105 und 0.027 < k < 0.27 erstellt (Re=U∞c/n; k=pfc/U∞ ; n=kin. Viskosität, f=Schlagfrequenz, c=Flügeltiefe, U∞=Anströmgeschwindigkeit). Zusätzlich sollen die Methoden der Messtechnik an die Anforderungen der instatiönären Messungen angepasst und die gewonnenen Erkenntnisse in die Biologie übertragen werden. Die Untersuchungen erfolgten an einem mechanischen Schlagflugmodell, wobei die Messungen im Windkanal unter Einsatz der Particle-Image-Velocimetry (PIV) als bildgebendem Messverfahren sowie der Verwendung einer 3-Komponentenwaage zur direkten Kraftmessung erfolgten. Die Messsysteme ermöglichen es, das Verhalten der Strömung an einem schlagenden Flügel zu analysieren und den Einfluss von Parametervariationen genau zu bestimmen. Des Weiteren können die Ergebnisse unterschiedlicher Messsysteme miteinander verglichen werden und somit die Verwendbarkeit beider Systeme im Falle instationärer Untersuchungen genauer bestimmt werden. Als natürliches Vorbild für das Schlagflugmodell diente die Ringelgans, die sich durch ihre Größe, ihren kräftigen Rumpf und ihre geringe Flügelschlagfrequenz von 2-4 Hz auszeichnet. Betrachtet werden die von der Hinterkante ablösenden Querwirbel in einem parallel zur Strömung orientierten Untersuchungsgebiet. Ursache dieser Wirbel sind die über den Flügelschlag hinweg auftretenden Zirkulationsänderungen, die eine Veränderung in der Auftriebserzeugung anzeigen. Des Weiteren wird der an der Flügelspitze auftretende Randwirbel, senkrecht zur Strömungsrichtung, visualisiert. Die Berechnung der Zirkulation des Wirbels erfolgt anschließend nach dem Satz von Stokes durch die Integration der Wirbelstärke über die Fläche. Von der Zirkulation des Randwirbels wiederum lassen sich Rückschlüsse auf den vom Flügel produzierten Auftrieb ziehen (Kutta-Joukowski). Die PIV-Messungen haben gezeigt, dass sich die Änderung des Auftriebs über dem Flügelschlag sehr gut aus der Zirkulation des Randwirbels berechnen lässt. Dies trifft für die Absolutwerte hingegen bislang nicht zu. Der Vergleich der aus der Visualisierung der Querwirbel ermittelten Zirkulationsänderung über dem Flügelschlag mit den Waagenmessungen erweist sich im Gegensatz zu den Vergleichen mit den Randwirbeln als weit problematischer, da die Zirkulationsverteilung über der Spannweite variiert und nur begrenzt für die verschiedenen Parameterkombinationen ermittelt werden kann. Dennoch stimmen die ermittelten Änderungen weitgehend mit den Ergebnissen der Randwirbelvisualisierung überein. Die durch die Strömungsvisualisierung gewonnenen Ergebnisse werden anschließend mit den Resultaten der direkten Kraftmessungen verglichen. Die mit der 3-Komponenten-Waage durchgeführten Messungen weisen mit zunehmender reduzierter Frequenz den Einfluss instationärer Effekte auf. Die weit über dem für stationäre Messungen ermittelten kritischen Anstellwinkel liegenden hohen Cz-Werte sowie die aerodynamische Phasenverschiebung lassen sich auf den „Dynamic Stall“-Effekt zurückführen, wobei das Auftreten eines Vorderkantenwirbels durch Visualisierungen auf dem Flügel bestätigt werden konnte. Bislang konnte das Auftreten eines Vorderkantenwirbels am Vogelflügel nur bei stationären Messungen am stark gepfeilten Flügelmodell eines Mauerseglers nachgewiesen werden (Videler et al. 2004). Das Auftreten des „Dynamic stall“-Effektes zeigt, dass die Betrachtungsweise, den Vogelflug als quasi-stationär anzusehen, nicht ganz zutreffend ist. Zwar kann die Nutzung instationärer Effekte im Rahmen dieser Arbeit nicht nachgewiesen werden, jedoch erfordert ihre mögliche Ausbildung eine aktive Kontrolle zur Vermeidung negativer Auswirkungen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The research undertaken in this project encompasses the experimental investigation of unsteady effects within flapping flight. A sensitivity analysis of the main flight parameters has been performed, with specific attention to the flight envelope of 104 < Re < 105 and 0.027 < k < 0.27, (Re=U∞c/n; k=pfc/U∞ ; n= kinematic viscosity, f= flapping frequency, c=average wing chord, U∞= freestream velocity). Furthermore the associated development of experimental techniques for such an unsteady flow was undertaken. The results of the project have also been interpreted with reference to the biological factors in order to better understand bird flight. The research was conducted in the low-speed wind tunnel of the TU Darmstadt using a mechanical flapping-wing model. Particle Image Velocimetry (PIV) was used for both qualitative and quantitative analysis, in addition to direct force measurements made with a three-component balance. Both these measurement techniques were used to better understand the effect of the unsteady flow around the model, and were simultaneously with one another validated in order to determine which techniques are well suited for such investigations. The flapping-wing model was based on a Brand goose, characterized by their length scales (relatively large body with respect to wing span) and their flapping frequencies of 2-4Hz. The transverse vorticity shed from the wing was visualized on several planes parallel to the streamwise direction. The origin of these transverse vortices is the circulation change during the wing-beat cycle. On the other hand the tip vortex was visualized perpendicular to the streamwise direction at 2.3-chord-lengths downstream of the trailing edge. The circulation within the vortices was calculated by applying Stokes’s theorem, in other words the integration of the vorticity over the measurement area. The circulation measured in the longitudinal tip vortices can be related to the lift production via the Kutta-Joukowsky theory. The resulting change in circulation from the PIV measurements in both the transverse and longitudinal vorticity agree with one another, as well as with the direct force measurements. However, the analysis of the transverse vortex was problematic since only small local changes in circulation could be measured for this case. Also there remained a disagreement between the absolute values of circulation when comparing PIV measurements in the tip vortex with the direct force measurements. The results from the three-component balance show an increase in unsteady effects with an increase in reduced frequency. The maximum lift coefficient during a flapping cycle was typically higher than for the equivalent fixed-wing tests. This phenomenon, together with the measured aerodynamic phase-shift are caused by the dynamic stall effect over the wing surface. The dynamic stall effect can be attributed to the formation and convection of the leading-edge vortex over the wing, and was visualized for the case of flapping wings. For the case of static wings, such a leading-edge vortex is found only with high sweep-back (delta wings) such as with swifts (Videler et al. 2004). The observation of the leading-edge vortex for typical bird flight reduced frequencies shows that this flow cannot be simplified as a quasi-steady flow. This in effect proves that adaptive wings, as found with live birds, are necessary to fully control these unsteady flow features such as dynamic stall.English
Uncontrolled Keywords: Schlagflug, Vogelflug, instationäre Aerodynamik, PIV, Dynamic stall, Delayed stall, MAV, Nachlaufvisualisierung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Schlagflug, Vogelflug, instationäre Aerodynamik, PIV, Dynamic stall, Delayed stall, MAV, NachlaufvisualisierungGerman
flapping flight, bird flight dynamic stall, delayed stall, wake structure, MAVEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000800
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8003
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Himstedt, Prof. Dr. Werner and Galuske, Prof. Dr. Ralf and Radespiel, Prof. Dr. Rolf
Advisors: Tropea, Prof. Dr. Cameron
Refereed: 28 November 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/800
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