Simulation und Entwurf von flexiblen Membranflügeln

Flexible Flügel sind das Thema von vielen Forschungsprogrammen gewesen. Verschiedene Techniken sind verwendet worden, um Flexibilität zu herkömmlichen Flügelkonfigurationen zu bringen. Sie erstrecken sich davon, neue Strukturkonzepte für den Flügelrahmen wie teleskopische Spieren oder morphing Flügel zum Verwenden kluger Materialien in der Herstellung des Flügels zu verwenden.

Die Abbildung unten zeigt das Membranflügelkonzept in der gegenwärtigen Arbeit. Das sailwing Konzept wurde von Ormiston während der 70er vorgeschlagen. Ein starrer Mast formt den führenden Abschnitt des Flügels. Um die oberen und unteren Membrane zu unterstützen, sind Rippen entlang der Spanne vom Flügel gesockelt, und ihre Nummer hängt von der Spannweite vom Flügel ab. Obere und untere Membrane sind an der Hinterkante über ein vorgespannten Kantenkabel zusammengefügt.

Die Flexibilität eines Membranflügels ermöglicht ihm, sich dem Strömungsfeld zu gewisse Massen anzupassen. Die Vorteile dieser passiven Anpassung an den Ümströmung sind vom aerodynamische Ansicht eine Steigung des Auftriebsneigung, ein höherer maximaler Auftriebsbeiwert und ein Verschiebung von Stall zum höheren Anstellwinkel im Vergleich mit Starren Flügeln und von der strukturellen Ansicht eine Reduzierung von der aerodynamichen Belastung in den instationären Fällen . Ein Nachteil von flexiblen Flügeln könnte an den selbsterregten Schwankungen wegen ihrer Flexibilität sein, die sie instationäre Antwort sogar zu den stationäre Strömungsverhältnissen zeigen konnten.

Eine schematische Darstellung des Designworkflows wird in die Abbildung unten präsentiert. Der erste Schritt ist formfinding Analyse. Zuerst sollte die Ausganstopologie der Flügelkonfiguration definiert werden, und die Vorspannungen sollte den Membranen und Randkabeln zugeteilt werden. Die Gleichgewichtgsform des Flügels ohne aerodynamische Lasten wird während des Form finding Analyse berechnet und wird als der Eingabe verwendet, um das Strukturmodell für FSI Simulationen aufzustellen. Das gekoppelte Problem der Interaktion des Membranflügels mit der Umströmung wird in FSI-Analyse simuliert. Dann im Post-Processing, wird die Leistung des Flügels im Hinblick auf Auftrieb und Wiederstandbeiwert, Druckverteilung über dem Flügel, usw. ausgewetet und gegebenenfalls wird der Vorspannungszustand aktualisiert und der Entwurfszyklus wird wiederholt, um den aktualisierten Entwurf auszuwerten.

 


Membrane blade

Anwendung des Membranflügelkonzeptes für ein Windkraftanlageblatt wird für das nicht-drehende Blatt NREL-Phase VI studiert.

Das Membranblatt hat höheren Auftriebsgradienten und das bessere characterisitics im Hinblick auf Auftriebsbeiwert und Gleitzahl, verglichen mit dem starren Blatt.


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