بررسی تجربی اثر بال‌ زدن بر نیروهای برآ و پیشران بال سه بعدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر ، تهران، ایران

چکیده

اثر بال‌زدن بر نیروی برآ و پیشران در بال سه بعدی در محدوده اعداد رینولدز پایین (کمتر از 200000) و فرکانس‌های کاهش یافته مختلف با استفاده از آزمون تجربی در تونل باد مادون صوت مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش‌ها در محدوده اعداد رینولدز 42000 تا 170000 که محدوده اعداد رینولدز برای پرندگان واقعی است صورت پذیرفته است. فرکانس‌های کاهش یافته مورد بررسی نیز در محدوده  0 تا 45/0 می‌باشد که اغلب پرندگان در این محدوده پرواز می‌کنند. آزمون‌ها در زوایای حمله 0 تا 24 درجه صورت پذیرفته است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد افزایش فرکانس کاهش یافته تا 100 درصد نیروی برآ را افزایش داده و در برخی از شرایط نیروی پسا را به صفر رسانده است. همچنین افزایش فرکانس کاهش یافته باعث تأخیر در زاویه واماندگی بال شده است. نتایج به دست آمده در تغییر عدد رینولدز نشان می‌دهد که با تغییر عدد رینولدز از 42000 به 86000 لایه مرزی در بخش وسیع‌تری از سطح بال از آرام به آشفته تبدیل می‌گردد، لذا بیشینه ضریب برآ به میزان 40% افزایش می‌یابد. همچنین مشخص شد که تأثیر فرکانس کاهش یافته بر نیروی برآ وابسته به زاویه حمله است به گونه‌ای که در زوایای حمله پایین افزایش فرکانس کاهش یافته تأثیری بر ضریب برآ نداشته اما با افزایش زاویه حمله تأثیر مثبت فرکانس کاهش یافته بر ضریب نیروی برآ بیشتر شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental investigation of the effect of flapping on the lift and thrust forces of 3D-wing

نویسندگان [English]

  • Mojtaba Ramezani Voloojerdi 1
  • Mahmoud Mani 2
1 Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Effects of flapping on lift and thrust forces in a 3D flapping wing have been investigated at low Reynolds numbers and several reduced frequencies, using experimental tests in a subsonic wind tunnel. Tests have been performed at Reynolds numbers 42000 to 170000 and reduced frequencies 0 to 0.45 that most birds flight at this ranges. Also, the ranges of the angle of attacks are between 0°-24°. Results have shown that an increase of reduced frequency can enhance the lift force by up to 100 percent and in some cases reduce drag force to zero. Furthermore, increment of reduced frequency has caused a delay in stall of the wing. Also by increasing the Reynolds number from 42000 to 86000, the major region of the boundary layer of the wing surface becomes turbulent, so maximum lift force increases by 40 percent. Wind tunnel test results show that the effect of reduced frequency on the lift force was dependent on the angle of attack, so at the lower attack angles, the increase of reduced frequency did not affect the lift coefficient, but, with increment in the angle of attack, the positive effect of the reduced frequency on the coefficient of the lift force increased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flapping wing
  • Low Reynolds numbers
  • Wing aerodynamics
  • Subsonic flow
  • Micro air vehicle

مراجع

[1] Michael S. Selig and James J. Guglielmo, High-Lift Low Reynolds Number Airfoil Design, Journal of Aircraft, 34(1) (1997) 72–79.
[2] Katzmayr, R., Effect of Periodic Changes of Angle of Attack on Behavior of Airfoils, NACA Rept. 147 (1922) (translated from Zeitschrift fur Flugtechnik und Motorluftschiffahrt, March 31,    1922, p. 80–82, and April13, 1922, pp. 95–101).
[3] Karl Herzog. Flapping wing flight in nature and science, Aeromodeller Annual, (1964) 44-57. (translated from articles by Karl Herzog in Mechanikus magazine 1963-64)
[4] K. D. Jones, C. M. Dohring, and M. F. Platzer. Experimental and Computational Investigation of        the Knoller-Betz Effect, AIAA Journal, 36(7) (1998) 1240-1246.
[5] J. M. ANDERSON, K. STREITLIEN, D. S. BARRETT and M. S. TRIANTAFYLLOU,         Oscillating foils of high propulsive efficiency, Journal of Fluid Mechanics, 360 (1998) 41-72.
[6] Paul Gallivan and James DeLaurier, An Experimental Study of Flapping Membrane Wings,    Canadian Aeronautics and Space Journal, 53(2) (2007) 35-46.
[7] K.Mazaheri and A.Ebrahimi, Experimental investigation of the effect of chordwise flexibility on         the aerodynamics of flapping wings in hovering flight, Journal of Fluids and Structures, 26(4)          (2010) 544-558.
[8] K.Mazaheri and A.Ebrahimi, Experimental investigation on aerodynamic performance of a     flapping wing vehicle in forward flight, Journal of Fluids and Structures, 27(4) (2011) 586-595.
[9] K.Mazaheri and A.Ebrahimi, Experimental study on interaction of aerodynamics with flexible            wings of flapping vehicles in hovering and cruise flight, Archive of Applied Mechanics, 80(11)      (2010) 1255-1269.
[10] A. W. Mackowski and C. H. K. Williamson, Investigation of strouhal number effect on flapping       wing micro air vehicle, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA 2007-486.
[11] A. Muniappan, V Baskar, and V Duriyanandhan, Lift and Thrust Characteristics of Flapping Wing Micro Air Vehicle (MAV), 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA 2005-         1055.
[12] W.Shyy, H.Aono, S.K.Chimakurthi, P.Trizila, C.-K.Kang, C.E.S.Cesnik, H.Liu, Recent        progress in flapping wing aerodynamics and aeroelasticity, Progress in Aerospace Sciences, 46(7)      (2010) 284-327.
[13] Che-Shu Lin, Chyanbin Hwu, Wen-BinYoung, The thrust and lift of an ornithopter’s membrane        wings with simple flapping motion, Aerospace Science and Technology, 10(2) (2006) 111-119.
[14] Michael Vest and Joseph Katz, Aerodynamic study of a flapping-wing micro-UAV, 37th      Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, (1999)
[15] A. W. Mackowski and C. H. K. Williamson, Direct measurement of thrust and efficiency of an         airfoil undergoing pure pitching, Journal of Fluid Mechanics, 765 (2015) 524-543.
[16] Norizham Abdul Razak and Grigorios Dimitriadis, Experimental study of wings undergoing active root flapping and pitching, Journal of Fluids and Structures, 49 (2014) 687-704.
[17] Norizham A. Razak, Rothkegel Ide, José Ignacio, and Dimitriadis, Grigorios, Experiments on a         3-D Flapping and Pitching Mechanical Model, Proceedings of the 2009 International Forum on           Aeroelasticity and Structural Dynamics, IFASD-2009-124.
[18] Thomas J. Mueller, WIND TUNNEL EXPERIMENTS ON A FLAPPING DRONE, Proceedings of the 15th International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, IFASD 2011, IFASD-2011-154.
[19] K. Jones, B. Castro, O. Mahmoud, S. Pollard, M. Platzer, M. Neef, K. Gonet, and D. Hummel,          A collaborative numerical and experimental investigation of flapping-wing propulsion, 40th AIAA   Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, (2002).
[20] G.S. Triantafyllou, M.S. Triantafyllou, M.A. Grosenbaugh, Optimal thrust development in    oscillating foils with application to fish propulsion, Journal of Fluids and Structures, 7(2) (1993)        205-224.
[21] Joel E.Guerrero, Wake Signature and Strouhal Number Dependence of Finite-Span Flapping             Wings, Journal of Bionic Engineering, 7(4) (2010) S109-S122.
[22] M. Ramezani voloojerdi, M. Mani, Aerodynamic Characteristics of Conventional and Innovative High Lift Swept Wings, Journal of Bionic Engineering, 16(3) (2019) 432-441.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 3 (Special Issue)
خرداد 1400
صفحه 1697-1708

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار