Unsteady Aerodynamics of Wings at Low Reynolds Numbers
Final Report Abstract
Im Projekt "Instationäre Aerodynamik von Tragflügeln bei kleinen Reynoldszahlen" wurde die Umströmung ebener Plattenflügel bei im für Micro-Air-Vehicle typischen Reynoldszahlregime untersucht. Forschungsziele waren eine Vertiefung des Verständnisses der beteiligten Strömungsphänomene, eine Untersuchung der Einflussgrößen hinsichtlich der effizienten Produktion von Auftrieb und Widerstand sowie die Weiterentwicklung geeigneter Untersuchungsmethoden zum einen der Messtechnik in Windkanalexperimenten und zum anderen der numerischen Simulation. Hierzu wurde die MAV-Lab Experimentierumgebung des Instituts für Strömungsmechanik der TU-Braunschweig genutzt und weiter ausgebaut. Es wurden Methoden zur Trennung der inertialen Kraftanteile bei der Messung der aerodynamischen Kräfte entwickelt und qualifiziert. Die optischen Verfahren zur Positions- und Deformationsbestimmung sowie der Messung der Strömungsfelder mittels verschiedener, räumlich wie zeitlich hochauflösender PIV-Verfahren wurden für den Anwendungsfall verfeinert und weiterentwickelt. Ein Low-Resolution-DNS-Ansatz zur numerischen Simulation bei turbulenzarmer Strömung wurde verifiziert. Das aerodynamische Verhalten wurde für statische Fälle sowie für eine Vielzahl von Bewegungskombinationen aus einer mehrdimensionalen Parametermatrix untersucht. Während der ersten Förderperiode wurde das Strömungsfeld, insbesondere das Auftreten und die Interaktion von Wirbelstrukturen in der Strömung auf der Flügelsaugseite qualitativ und quantitativ untersucht. Im Gegensatz zu Unterschieden in der Wirbeltopologie stellten sich die Einflüsse von Flügelgrundform und Reynoldszahl hinsichtlich der Erzeugung von Auftrieb und Schub als gering gegenüber dem Einfluss der gewählten Bewegungsparameter heraus. In der zweiten Förderperiode wurde daher der Fokus auf die Bewegungsform und ihre Parameter gelegt. Untersucht wurden neben harmonischen Hub-Nick-Kombinationen auch transiente Bewegungen, die die Verhältnisse bei Start und Landung oder durch plötzlichen Abwinde darstellen. Zuletzt wurden periodische, nichtharmonische Bewegungen untersucht und ihre Parameter auf die Auftriebsproduktion bei hohen Anstellwinkeln und gleichzeitig niedrigem Widerstand angepasst. Hierbei wurden Ansätze nach biologischem Vorbild und aus dem technischen Bereich von speziellen Windkraftanlagen verfolgt. Im Laufe der mittels numerischer Simulation durchgeführten Bewertungen konnte ausgehend von biologisch und technisch inspirierten Bewegungstypen gegenüber dem stationären Vergleichsfall eine erhebliche Reduktion des Widerstandes bei gleichzeitiger Auftriebserhöhung beobachtet werden.
Publications
- (2011) Ermittlung der Massenkräfte periodisch bewegter Tragflügelmodelle unter Anwendung von optischer Messtechnik. 60. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2011, 27. - 29. Sept. 2011, Bremen, Deutschland
Ehlers, H. und Konrath, R. und Agocs, J. und Radespiel, R. und Wokoeck, R.
- (2012) Experimental and numerical investigations of pitch-plunging wing aerodynamics at low Reynolds number. 47th International Symposium of Applied Aerodynamics, 26. - 28. Mar. 2012, Paris, France
Wokoeck, R. und Radespiel, R. und Ehlers, H. und Konrath, R.
- (2012) Experimental Flow Field Investigations for “Micro Air Vehicles” in Flapping Motion. ODAS 2012, 04. - 06. Jun. 2012, Brauschweig, Germany
Ehlers, H.
- (2012) Pitch-plunging flat Wings in Experiments and Numerical Investigations, International Micro Air Vehicle Conference, 03. - 06. July 2012, Braunschweig, Deutschland
Möller T. J. und Wokoeck, R. und Radespiel, R.
- (2013) Experimental and numerical investigations of pitch-plunging wing aerodynamics at low Reynolds number. In: International Journal of Engineering Systems Modelling and Simulation, Vol. 5 (1/2/3), Seiten 19-32
Wokoeck, R. und Radespiel, R. und Ehlers, H. und Konrath, R.
- (2013) Three-Dimensional Flow Field Investigations on Pitching Low Aspect Ratio Wings at Low Reynolds Numbers. 10th International Symposium on Particle Image Velocimetry, 01. - 03. Jul. 2013, Delft, The Netherlands
Ehlers, H. und Agocs, J. und Konrath, R. und Korkischko, I. und Schanz, D. und Geisler, R. und Willert, C. und Wokoeck, R.
- (2014) 3D Flow Field Investigations on Flapping Wing Aerodynamics. American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA Aviation 2014, 16. - 20. June 2014, Atlanta, Georgia, USA
Ehlers, H. und Konrath, R. und Wokoeck, R. und Radespiel, R.
(See online at https://doi.org/10.2514/6.2014-2879) - (2015) 3D-Strömungsfeldmessungen an bewegten Tragflächen. In: Fachzeitschrift für Konstrukteure, 38, Seiten 40-42. Redaktion mobiles, Hamburg, Deutschland
Ehlers, H.
- "Three-Dimensional Flow Field Investigations of Flapping Wing Aerodynamics", AIAA Journal (2016), volume 54, issue 11, pp 3434-3449
Ehlers, H., Konrath, R., Wokoeck, R., Radespiel, R.
(See online at https://doi.org/10.2514/1.J054488) - (2016) Time Resolved Flow Field Investigations of Low Reynolds Number Transient Maneuvers. American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA SciTech 2016, 4. - 8. Januar 2016, San Diego, California, USA
Ehlers, H. und Konrath, R. und Wokoeck, R. und Radespiel, R. und Börner, M.
(See online at https://doi.org/10.2514/6.2016-1076)
