Hubel, Tatjana (2007)
Untersuchungen zur instationären Aerodynamik an einem vogelähnlichen Flügelschlagmodell.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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