Беседы о теории машущего полёта.

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
Размещу несколько коллажей из J Exp Biol (журнал экспериментальной биологии) очень познавательно посидеть с калькулятором и проанализировать хотя по английски не читаю может и Николай прокомментирует

1 Бегание по вертикальной плоскости с помощью крыльев неких птичек КЕКЛИКИ называются вроде с довольно большой нагрузкой на крыло 1 вроде летит для сравнения: полетная "походка" - отдельные вихревые кольца никакой сплошной струи вроде не наблюдается
 

Вложения

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
А вот голуби с датчиками давления: очень хорошая большая статья много графиков, можно в каждой точке посчитать Су разделив показания датчика на скоростной напор
 

Вложения

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
Еще летучая мышь: график Су по фазам маха

и рисунок с вихрем, я так понимаю похоже на управляемый динамический срыв (У Джонсон теория вертолет стр. 800...)
 

Вложения

D

DesertEagle

KV1237542 сказал(а):
хотя по английски не читаю может и Николай прокомментирует
А что именно нужно? Там обычно надо читать всю статью, так как цифры в таблицах бывают с пояснениями. Скажем, удельная мощность мышц птицы может быть к массе всей птицы, а может быть к массе самих мышц. Полученная расчетным путем или измерениями. И так далее. Я для себя из этого журнала сохранил вот эти публикации (их можно вбивать в поиск в гугле, он приведет сразу к статье).

A family of vortex wakes generated by a thrush nightingale in free flight in a wind tunnel over its entire natural range of flight speeds.pdf
Aerodynamics of gliding flight in common swifts.pdf
Aerodynamics of intermittent bounds in flying birds.pdf
Aerodynamics of the flying snake Chrysopelea paradisi how a bluff body cross-sectional shape contributes to  gliding performance.pdf
Aerodynamics of tip-reversal upstroke in a revolving pigeon wing.pdf
Aerodynamics of wing-assisted incline running in birds.pdf
Beyond robins aerodynamic analyses of animal flight.pdf
Biomechanics of bird flight.pdf
BIOMECHANICS OF SWIMMING AND FLIGHT.pdf
Dual leading-edge vortices on flapping wings.pdf
Dynamic pressure maps for wings and tails of pigeons in slow, flapping flight, and their energetic implications.pdf
Fluid dynamics of flapping aquatic flight in the bird wrasse three-dimensional unsteady computations with fin deformation.pdf
Fluid-structure interaction simulation of an avian flight model.pdf
Force production and flow structure of the leading edge vortex on flapping wings at high and low Reynolds numbers.pdf
Induced airflow in flying insects 1.pdf
Induced airflow in flying insects 2.pdf
Kinematics of flight and the relationship to the vortex wake of a Pallas' long tongued bat (Glossophaga soricina).pdf
Measurement of hydrodynamic force generation by swimming dolphins using bubble DPIV.pdf
Mechanical power output of bird flight.pdf
Mechanics of wing-assisted incline running (WAIR).pdf
On the estimation of swimming and flying forces from wake measurements.pdf
Ontogeny of lift and drag production in ground birds.pdf
PECTORALIS MUSCLE FORCE AND POWER OUTPUT DURING DIFFERENT MODES OF FLIGHT IN PIGEONS (COLUMBA LIVIA).pdf
Rotational accelerations stabilize leading edge vortices on revolving fly wings.pdf
Stereoscopic particle image velocimetry measurements of the three-dimensional flow field of a descending autorotating mahogany seed (Swietenia macrophylla).pdf
The aerodynamic effects of wing-wing interaction in flapping insect wings.pdf
The aerodynamics of avian take-off from direct pressure measurements in Canada geese (Branta canadensis).pdf
The aerodynamics of insect flight.pdf
The aerodynamics of Manduca sexta digital particle image velocimetry analysis of the leading-edge vortex.pdf
The fluid dynamics of flight control by kinematic phase lag variation between two robotic insect wings.pdf
The implications of low-speed fixed-wing aerofoil measurements on the analysis and performance of flapping bird wings.pdf
The importance of leading edge vortices under simplified flapping flight conditions at the size scale of birds.pdf
The influence of wing-wake interactions on the production of aerodynamic forces in flapping flight.pdf
The near and far wake of Pallas? long tongued bat (Glossophaga soricina).pdf
The relationship between wingbeat kinematics and vortex wake of a thrush nightingale.pdf
The vortex wake of blackcaps (Sylvia atricapilla L.) measured using high-speed.pdf
The ?upstream wake? of swimming and flying animals and its correlation with propulsive efficiency.pdf
Three-dimensional flow structures and evolution of the leading-edge vortices on a flapping wing.pdf
Three-dimensional kinematics of hummingbird flight.pdf
Unsteady forces and flows in low Reynolds number hovering flight two-dimensional computations vs robotic wing experiments.pdf
Vortex wake and flight kinematics of a swift in cruising flight in a wind tunnel.pdf
Wake structure and wing kinematics the flight of the lesser dog-faced fruit bat.pdf
When wings touch wakes understanding locomotor force control by wake-wing interference in insect wings.pdf
Whole-body kinematics of a fruit bat reveal the influence of wing inertia on body accelerations.pdf
Wing inertia and whole-body acceleration an analysis of instantaneous aerodynamic force production in cockatiels (Nymphicus hollandicus) flying.pdf
 
D

DesertEagle

slavka33bis сказал(а):
Да потому, что вся аэродинамическая сила, возникающая на поверхности неподвижного крыла считается примерно равномернораспределенной
Строго говоря, равномерно распределенной считается в грубых прикидочных расчетах не сама подъемная сила, а распределение Cy вдоль крыла. Чтобы не возиться с эллиптическими и прочими распределения Cy, которое на крыле на самом деле. Тем более, что допущение равномерного распределения Cy не ухудшает прочность, а даже дает некоторый дополнительный запас.

Ну а подъемная сила каждого участка уже будет зависит от хорды этого участка, т.е. его площади в формуле Y=Cy*p*S*v^2/2. Хотя для прямоугольного крыла подъемная сила в таком случае тоже получается равномерно распределенной (хотя в реальности это не так).
 
S

slavka33bis

Как мы все уже ту знаем, аппарат Юрия

претерпел лёгкий рестайлинг.
 
S

slavka33bis

Теперь простенький анализ: -


Общая площадь несущих поверхностей (вместе с хвостом) составляет  11 кв.метров.

Из них 6 кв.м. -  крылья.

И 5 кв.м. - хвостатый центраплан

                  (Юра, эта часть называется не "Верхнее крыло,
                   а Центральное", то есть, по сути "Центроплан".)

Если бы аэродингамическое качество у этих трёх основных несущих поверхностей было бы одинаковым,
то на крылья приходилось бы 55% подъёмной силы, а на центроплан - 45 %.

Но, так как, у центроплана аэродинамическое качество будет замееетно хреновее, чем у крыльев,
примем (от фанаря), что на центроплан будет приходиться примерно 25% от всей подъёмной силы.

Значит на крылья остаётся 75%.

По 37,5 % на каждое крыло.

37% от 10 кг будет равно ровно 37,5 кг.

Теперь посмотрим в каком месте крыла расположится вектор тех тридцатисеми килограмм (смотрим картинку).

Ой.

А её-то пока и нету.
Щас нарисую.

                                         (ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
 
S

slavka33bis

Пояснения.

Точка "1" - это примерный центр площади крыла.

Точка "2" - примерное расположение точки приложения вектора полной аэродинамической силы.

Эта точка смещена из-за наличия на конце крыла обязательных патерь на закручивание концевого вихря.

Получается так, что на одну руку придётся нагрузка , примерно равная 21,5 кг.


Думаю, что Юрию будет приятно это узнать.
 
S

slavka33bis

slavka33bis сказал(а):


Вот:-

Все проблемы вырисовались на левом крыле и на левой ручке.


К этим пятидесяти семи килограммам на ручке при махе необходимо будет ещё прибавить и инерционную составляющую.

А она, я уверен, будет не маленькой.

Аэродинамическое качество этого аппарата будет, скорее всего, не выше 7 единиц.

Горизонтальная скорость планирования будет в районе 11 м/сек.

При качестве 7 вертикальная скорость будет равна примерно 1,6 м/сек.

Потребная окружная скорость конца крыла будет примерно равна 3,2 м/сек.

Значит потребная частота махов (при амплитуде 60 градусов)

будет грубо примерно равна  Гц.

Округлим до  Гц.

С силой 40 кг на плече
 

Вложения

D

DesertEagle

Самолетчик,

интересное наблюдение. Но скорее всего такая структура крыльев птиц и насекомых связана с обычным ростом крыла. Где крыло более нагружено - на 20% хорды, там структура плотнее, а направление "лат" вызвано ростом крыла (они ведь вырастают из птенцов/личинок). Возможно также, что такая структура вызвана упругостью на кручение. У насекомых, да и птиц отчасти, крутка крыла при махах деформируется пассивно. Это хорошо видно на замедленном видео стрекозы: https://www.youtube.com/watch?v=ivehkI511wo

То есть с большой степенью вероятности такая структура крыла вызвана механическими свойствами крыла, а не направлениями воздушных потоков на крыле.
 

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
DesertEagle сказал(а):
А что именно нужно? Там обычно надо читать всю статью, так как цифры в таблицах бывают с пояснениями.
Вот эта статья, и таблица оттуда, все более менее понятно очень мощности  интересные в таблице может то же глянете если интересно
 

Вложения

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
И еще вот эта статья. Если интересно просьба прокомментировать на случай не правильного понимания таблиц
 

Вложения

D

DesertEagle

KV1237542 сказал(а):
Вот эта статья, и таблица оттуда, все более менее понятно очень мощности  интересные в таблице может то же глянете если интересно
В этой таблице приведены мощности только для хвоста. При сверхмедленном "вертолетном" полете со скоростью 4.47 м/с, голуби держат хвост оттопыренным вниз под углом атаки 47.6 град (см. таблицу) к потоку, что согласно двум рядам барометров на хвосте, выяснилось, что это позволяет хвосту в таком режиме нести 7.91% веса голубя. Затраты энергии на это нужны 1.7 Вт. Только на хвост, для компенсации его  лобового сопротивления на скорости 4.47 м/с из-за растопыренности. Что в переводе на мускулы (в статье написано, что эту мощность в конечном счете платят грудные мышцы, поэтому можно приводить к их весу), такой хвост веером в потоке птице стоит 3.68 Вт/кг к весу птицы, или 19.3 Вт/кг к весу грудных мускулов, которые занимают 18% от массы голубя.

Вообще, мощности там получены частично расчетами на базе давления на крыльях и хвосте, а частично на основе данных от других исследователей, поэтому в статье предупреждают, что цифры мощности примерные.

Что касается мощности всего голубя, то там ниже есть таблица 4.



Как видите, из полученной барометрами карты давлений для 3 голубей, средняя аэродинамическая мощность вышла 25.6 Вт, что потребовало 51.2 Вт/кг от массы голубя и 272.7 Вт/кг от массы грудных мускулов. При этом максимальная аэродинамическая сила на крыльях составила 5.7 Н. При весе самого голубя 4.73 Н (масса голубя 0.483 кг * 9.8 м/с2 = 4.73 Н). Тут надо заметить, что 5.7 Н это не только подъемная, а полная аэродинамическая сила (вектор R, по-нашему) исходя из карты давлений на крыле и хвосте. Часть из нее подъемная, часть тяга.

При этом максимальное развиваемое грудными мышцами усилие голубя составило 59 Н. При весе голубя 4.73 Н! Усилие мышц найдено исходя их геометрии птичьего скелета - точек крепления мышц к костям, чтобы поддерживать измеренное на крыле датчиками давление (и соотв, подъемную силу).

Но это все для "вертолетного" медленного полета при 4.47 м/с. Поэтому естественно, что мощности для полета оказались несколько выше, чем при крейсерском горизонтальном полете. Что такое induced power я сам не очень понял, похоже это рассчитанная по формуле Pennycuick (это очень известный зарубежом исследователь аэродинамики птиц, классик, можно сказать). С принятыми в книге Pennycuick'а коэффициентами, но пересчитанная под пропорции принимавших участие в эксперименте голубей.

Там дальше в статье написано, что по полученным измерением датчиками карты давлений подъемная сила составила 74.5% массы птицы. И еще 7.9% на хвосте (все это для скорости полета 4.47 м/с). Что в сумме дает недостаток 17.6% веса птицы. То есть точность этих измерений составила порядка 82.4% от массы птицы. (при. переводчика: это стандартный способ проверять в таких исследованиях точность замеров - сравниваются с массой птицы. Где-то я видел результаты в 70%, а где-то и 97%).

В статье есть еще много других интересных деталей и полное описание проведенного эксперимента (как, впрочем, в любой научной работе такого рода). Различные размышления и сравнения полученных результатов с работами других авторов. Но переводить тут все имхо нет смысла, слишком большой объем текста.
 
D

DesertEagle

KV1237542 сказал(а):
И еще вот эта статья. Если интересно просьба прокомментировать на случай не правильного понимания таблиц

Aerodynamics of wing-assisted incline running in birds.pdf
В этой работе исследовались птицы Alectoris chukar, чья особенность заключается в том, что они используют махи крыльями как для бега по наклонной поверхности вверх (до углов наклона 65-85%, в эксперименте для такого бега было задействовано 7 птиц, такой вид движения сокращенно называется WAIR), так и способны полноценно взлетать вертикально вверх без стенки (с углом траектории 85%, две взрослые птицы). При этом у них можно различить три отдельные стадии взросления: птенцы в возрасте после 6-8 дней не способны летать. В возрасте 25-28 дней тоже не способны, но считаются подростками и заметно отличаются морфологией крыльев (вид и форма оперения). Взрослые птицы после 45 дней, могут полноценно летать.

При этом все три стадии, включая птенцов с еще не развитыми крыльями, способны взбираться по наклонным поверхностям, помогая себе крыльями. Для исследования использовался трехмерный метод DPIV, позволивший натурно измерить скорость потока, вихреобразование, циркуляцию и присоединенную массу, что показало развиваемые птицами подъемную силу и импульсы тяги при махах.

Выяснилось, что при взбирании по наклонным поверхностям птенцы развивают крыльями 6.6% веса птицы, а подростки со сформировавшимися крыльями и взрослые птицы от 63 до 86%. Во время вертикального взлета без опоры, средняя подъемная сила составила 110% веса птицы.

Далее в статье идут подробности и картинки вихрей для птенцов, подростков и взрослых птиц. Всего в эксперименте приняли участие 2 птенца, 5 подростков и 2 взрослые птицы.

Так как бег птицы происходит на гораздо меньших скоростях, чем полет обычных птиц (0.6 м/с у птенцов, 1.2 м/с у подростков, 1.5 м/с у взрослых), то естественно, что характер потока носит явно импульсный характер (см. картинки выше). Хотя в целом, вихревой след при беге похож на полет мелких птиц. Более того, взрослые птицы этого вида летят на скорости 1.4 м/с, что даже медленнее бега (прим. переводчика: очевидно, при беге добавляется мощность ног). Под "летят" здесь понимается вертикальный взлет с земли без наклонной опоры под ногам. Поэтому даже в полете характер течения не сильно меняется.

Про мощность на такие махи в статье ничего не нашел. Возможно, ее расчет не ставился целью исследования (мощность это всегда расчетная характеристика на базе каких-то измеренных величин: карты давления на крыльях, мышечных усилий и частоты сокращений и т.д.).
 

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
DesertEagle, Спасибо за отклик, в 1-й статье очень хорошие данные по датчикам давления на крыльях, я так понимаю Cl Cd коэффициенты Су и Сх а следующие 2 - отнесенные к траектории полета: вертикальный и горизонтальный.

По мощности: вероятно метод с тензодатчиками более точный хотя и результаты неоднозначные.

Спасибо за пояснения про хвост я сам не понял: мощность маленькая а почему не ясно?


По второй статье если можно более подробно прокомментировать таблицы 2 и 3, особенно для свободно летящей птицы?
Спасибо
 

Вложения

D

DesertEagle

KV1237542 сказал(а):
По второй статье если можно более подробно прокомментировать таблицы 2 и 3, особенно для свободно летящей птицы?
В таблицах данные для трех классов возраста, плюс полет. Baby - птенцы с неразвитыми детскими крыльями, Juvenile - подростки, выглядящие как взрослые птицы, но еще не способные вертикально взлетать сами, Adult - взрослые птицы, взбирающие по стенке, помогая себе крыльями. Adult(flight) - взрослые птицы, взлетающие вертикально с углом 85 град без наличия стенки рядом.

В таблице 2 просто данные по времени махов, body velocity - скорость тела птицы, т.е. скорость ее полета (а точнее, взбегания по стенке вверх) в м/с. Длительность всего маха, длительность только маха вниз, ометаемая поверхность.

В таблице 3 данные, полученные из векторов на картинке. Вихреобразование Vorticity служит для оценки затраченной птицей энергии на придание движения воздуху и вроде участвует в расчета циркуляции Circulation. Там наверху изображен схематичный рисунок как движется воздух. Есть область с более менее равномерным течением воздуха Uind, а по бокам два больших вихря. Сравните схематичный рисунок с векторами на фоне птицы. Что-то подобное крылу с двумя концевыми вихрями.

Поэтому для расчета создаваемых аэродинамических сил они в статье рассчитали обычным способом циркуляцию Г по такому "крылу". Просто из-за нестационарного характера махов, пришлось считать две (ну и пиковые значения вихрей тоже указали в таблице).

Также на рисунке указаны углы, под которыми направлен итоговый импульс тяги от крыльев (по среднему направлению отбрасываемого воздуха Uind). К горизонту (Impulse angle to horizontal) и по отношение к стенке, по которой птицы взбегают (Impulse angle to substrate). Видно, что птицы создают крыльями подъемную силу не просто вдоль стенки, а немного прижимая себя ею к стенке. Вероятно, для улучшения силы сцепления ног с поверхностью. И скорее всего этим объясняется, почему взбегают по стенке взрослые птицы быстрее (1.5 м/с), чем чисто вертикальный взлет без стенки (1.4 м/). У этих мелких земных птичек мускулы ног хорошо развиты для бега, вот они их и используют.


KV1237542 сказал(а):
особенно для свободно летящей птицы?
Свободно летящей птицы там как бы и нет). Под полетом они понимают вертикальный взлет без стенки, с аналогичным стенке углом траектории ~85 град. Ну то есть взрослая птичка может взбегать на ствол дерева, а может сразу вертикально взлететь на ветку. В статье сравнивается бег с помощью крыльев (не горизонтальный бег, а только взбирание на почти вертикальную стенку типа ствола дерева) с аналогичным вертикальным взлетом без помощи стенки.
 

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
DesertEagle сказал(а):
Также на рисунке указаны углы, под которыми направлен итоговый импульс тяги от крыльев (по среднему направлению отбрасываемого воздуха Uind). К горизонту (Impulse angle to horizontal) и по отношение к стенке, по которой птицы взбегают (Impulse angle to substrate). Видно, что птицы создают крыльями подъемную силу не просто вдоль стенки, а немного прижимая себя ею к стенке. Вероятно, для улучшения силы сцепления ног с поверхностью. И скорее всего этим объясняется, почему взбегают по стенке взрослые птицы быстрее (1.5 м/с), чем чисто вертикальный взлет без стенки (1.4 м/). У этих мелких земных птичек мускулы ног хорошо развиты для бега, вот они их и используют.
   Спасибо, во 2-й статье я все понял значит правильно в отличие от 1-й где не догадался что таиль - это хвост...

    Пробовал просто прикинуть мощность вертикального (почти 85 град) взлета и сравнить с примерной мощностью мышц - нестыковки, похожие на ту ситуацию с голубем, так хотел проверить верно ли все понял.
 

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
izrail11 сказал(а):
блин, может кто дать ссылочку на продувки S-обр. профиля!?
пжлста! 
Юра, Вы хоть что-нибудь потратьте сами на гугл и библиотеку, не стыдно? векторы, профили и тд :'(
 
S

slavka33bis

А мне он понравился и в общем и в деталях...


Вот их мышечный вариант с перепончатым крылом:-


(есть даже анимация-      )


Но я думаю, у этого аппаратика (если бы он был создан)

были бы серьёзные проблемы,

связанные с его продольной устойчивостью.
 

Вложения

Вверх