Strömungsanalyse bei Micro-Air-Vehicles mit feststehenden und schlagenden Flügeln

Übersicht Die vorliegende Arbeit widmet sich der Umströmung unprofilierter starrer und schlagender Flügel von unbemannten Kleinstflugzeugen der Klasse der Micro Air Vehicles. Die Aerodynamik dieser Fluggeräte in einem typischen Reynolds Zahl-Bereich zwischen 104 und 105 ist gekennzeichnet durch großräumige Strömungsablösungen mit komplexen Wirbelsystemen im Inneren. Hierbei werden die aerodynamischen Reaktionskräfte in erster Linie durch die wirbelinduzierte Druckverteilung auf der Flügelfläche erzeugt. Nun, mit dem Aufkommen der Micro Air Vehicles, besteht auf diesem Gebiet ein Erkenntnisbedarf an den Zusammenhängen zwischen der Entstehung und Entwicklung der Wirbeltopologie und den aus ihr folgenden Beiwertverläufen in Verbindung zu Flügeleigenschaften und Parametern der Schlagflugkinematik. Die Untersuchungen hierzu fanden im Rahmen des DFG Förderprogramms Instationäre Aerodynamik von Tragflügeln bei kleinen Reynolds-Zahlen u.a. mittels Kraftmessungen im Windkanal als auch mittels eines numerischen Ansatzes statt. Beide genannten Vorgehensweisen werden in dieser Arbeit eingehend gegenüber analytischen Lösungen sowie den Forschungsergebnissen Dritter und weiteren Messergebnissen aus dem genannten Projekt vali¬diert und bewertet. Zusätzlich werden die gewonnenen aerodynamischen Erkenntnisse vorgestellt. Die Windkanalexperimente wurden in einer dafür eigens hergestellten Messumgebung, dem MAV-Lab der TU Braunschweig durchgeführt. Die Qualität der Kraftmessung als auch der ausgeführten Flügelschlagbewegung wird auf Basis der Monte Carlo-Methode sowie an¬hand alternativer Messungen analysiert. Bei der Kraftmessung unter statischen Bedingungen sowie bei der Bewegungserzeugung des Flügelschlags zeichnet sich der Aufbau durch eine sehr gute Genauigkeit aus, die auf dem hohen Niveau etablierter, für denselben Zweck optimierter Versuchsanlagen liegt. Die Kraftmessung beim Schlagflug findet im Spannungsfeld von mit der Reynolds Zahl überproportional schwindenden aerodynamischen Kräften und mit der Schlagfrequenz überproportional anwachsenden inertialen Kräften statt. Der verfolgte numerische Ansatz entspricht einer auflösungsreduzierten Direkten Numerischen Simulation, DNS, wobei als Voraussetzung ein ver¬nachlässigbarer Einfluss der Turbulenz im genannten Reynolds Zahl-Bereich nachgewiesen werden kann. Hierin liefert diese Vorgehensweise Ergebnisse in durchgehend guter Über-einstimmung zu experimentellen und analytischen Vergleichsfällen. Sie stellt somit eine geeignete Methode zur Erfor¬schung der genannten Strömungstopologien und Einfluss¬größen dar, wobei sie klassischen, zu stark vereinfachenden Ansätzen in Aussage und Erkenntnis¬gewinn überlegen ist und gegenüber einer echten DNS bereits mit aktueller Rechenleistung umsetzbar ist. So werden in dieser Arbeit grundlegende Strömungstopologien anhand primärer und sekundärer Wirbelphänomene ermittelt, grund¬sätzliche Unterschiede aufgrund von Flügelform und streckung aufgezeigt und die Bedeutungen der Bewegungsparameter hinsichtlich Wirbelentwicklung sowie Effektivität und Effizienz bei der gezielten Erzeugung gewünschter aerodynamischer Kraftverläufe herausgearbeitet. Abstract This work focuses on the flow past fixed and flapping flat-plane wings of Micro-Air-Vehicles. The aerodynamics of these small unmanned flyers within the typical Reynolds number range between 104 and 105 is characterized by large separations consisting of complex vortex systems. Thus, aerodynamic forces are mainly created by the pressure distribution on the wing induced by these vortices. The rise of Micro-Air-Vehicles opened up a new field of research for determining e.g. the causal relations between wing design and flapping kinematics and the resulting flow topology and the associated force production. Funded by Deutsche Forschungsgemeinschaft, the research project Instationäre Aerodynamik von Tragflügeln bei kleinen Reynolds-Zahlen comprises, amongst other means, wind tunnel force measurements and numerical analysis featuring an unorthodox approach. In this work, both practices will be evaluated against analytical solutions and existing published results. Furthermore, the acquired aerodynamic findings will be shared. The wind tunnel experiments were conducted in the MAV-Lab, a specially designed measurement setup of Technische Universität Braunschweig. The quality of both, the carried out flapping motions as well as the force measurements was evaluated utilizing error analysis based on the Monte Carlo-Method and highly accurate optical measurements. For force measurement under static conditions as well as flapping motion creation, the setup delivers high accuracy and precision on par with other established high-end MAV-facilities. The force acquisition during flapping motions is stressed between the scaling effects of aerodynamic forces dropping overproportionally with the Reynolds number on the one hand and inertial forces growing progressively with the flapping frequency on the other hand. The presented numerical approach is equivalent to the Direct Numerical Solution of the Navier Stokes-Equations but with subsampling resolutions after having proven that turbulence has a negligible meaning to the dominant vortex structures in the given Reynolds number domain, wherein the approach delivers throughout results in good agreement to experimental results as well as to analytical theory. It is therefore a suited tool to investigate the mentioned flow topology and influential quantities as it offers more physical insight than classical simplified approaches, whilst on the other hand it is already applicable with current computational power. With this methodology, this work elaborates the essential flow structures featuring primary and secondary vortex phenomena depending on wing planform and aspect ratio as well as on the different parameters of flapping kinematics towards the deliberate, effective and efficient production of aerodynamic forces over time.