Самолет Болдырева (с колеблющимся предкрылком)

[KV1237542]

А что Вы думаете КАА по такому примитивному опыту (попытка испытать "Медленное колеблющееся крыло):

1 Оборудование:  зонтик ф90см, дверь 200х80см из массива ольхи с остеклением ок 37% площади (максимальное открытие 90 град, дальше упирается в стену)

2 Ход опыта: полуоткрыв дверь на 45 град, совершал махи зонтиком, (как машет колеблющийся предкрылок), держа за верхнюю часть рукоятки, у основания купола, так чтобы поток воздуха стремился закрыть дверь;
частота около 2,3 гц (точно не замерялась но не больше 2,5-3 иначе зонтик складывается), амплитуда ок 30...45град (+/-15...22,5град), биссектриса угла колебаний направлена вверх под углом 15-20град, чтобы поток попадал на дверь перпендиклярно.

3 Субъективные ощущения: ощущается значительный градиент сил примахе вверх/вниз т.е. подъемная сила и она не мешает возникновению тяги, махать не тяжело, т.е. мощность не пиковая, явно (иначе вывернется зонтик), рука почти прямая, вообщем, учитывая необходимость преодоления инерционных сил, и сравнительно небольшие задействованные группы мышц рискну оценить среднюю мощность, потраченную на аэролдинамические силы в 20 Вт?

4 Замеры: дверь за 2 сек. разгоняется, проходит 45 град и становиться на защелку после нескольких 4-5 мах.
замеры времени делались 3 раза

5 Расчет: момент силы, действующей на дверь, примем постоянным, момент трения не учитываем

                                   М=E(угловое ускорение, рад/сек2) * J (момент инерции, кг*м2)        (1)

считая движение равноускоренным Е найдем из зависимости

                                 V(угол поворота двери, рад)=Е*t2(время в квадрате)/2                        (2)

подставляя Е, выраженное из (2) в (1) имеем зависимость

                                 M=2*V*J/t2

вес двери 34 кг, ее момент инерции 12,25 кг*м2
угол V =45град = 0,785 рад
время t=2сек

Подставив, имеем М=2*0,785*12,25/4=4,8 Н*м

считая силу приложенной к 0,75R двери плечо равно 60см

значит сила F на двери равна 4,8/0,6=8Н

если мощность N=20 Вт.  то F/N=8/0.02/10=40кг/кВт

и это то, что прилетело на дверь!, на зонтике должно быть раза в 2 побольше (возможно)

Самое слабое здесь место - замер времени, но даже если 3 сек а не две и то ничего... да и оценка мощности очень субъективна...

Да и зонтик имеет очень малое удлинение большие потери через боковые кромки

Возможно ошибся, кто не верит пость проверит...

Дверь - не лопатка турбины Пелтона, разворот на струи на 180 не обеспечивает, значит воспринято не более 50% тяги + момент трения в двери

Субъективно: поток от зонтика кажется довольно  мощным

 

[KV1237542]

А также по такой итерпретации формул:

В формуле Болдырева сначала выводиться сила сопротивления, если без учета фазы угла качания  и с учетом среднего значения то формула имеет вид:


Fc = 1,225 (плотность , кг/м3) * (3,14*0,25) *R3 (радиус в кубе, м) * (2*3.14*n)2(циклическая частота в квадрате) * Y (амплитуда угловая, рад)                           

Умножим и разделим на Y получим

1,225* (3,14*0,25) *R3 * (2*3.14*n)2 * Y2 (в квадрате) /Y            

Далее  выделим отсюда: (R*n*Y*2) 2 (в квадрате)  - это есть не что иное как линейная скорость, задней кромки предкрылка в квадрате – V2

Далее  выделим отсюда R*1 – это площадь предкрылка единичной длины, S

Отсюда получим   

1,225*S*V2/Y + коэффициенты (самое интересное)  - (3,14*0,125)*3,14*3,14 =7.74

Итого формула:     Fc = 7.74 * 1,225 * S * V2/Y    сравним со стационарным обтеканием  Fc = 0,5 * 1,225 * S * V2 * Cх=1,5

То есть имеем коэффициенты:    1  в отличие от стационарного обтекания   вместо Сх=1,5 * 0,5  имеем 3,87         
                                                       2 имеем зависимость V2/Y, то есть при росте амплитуды при равной линейной скорости сила снижается (Y=1 для 1 рад.)

Нет особо никаких отличий от всем известной зависимости ускорения при гармонических колебаниях  см.  Ответ #6048 - 19.05.13 :: 23:05:45

Воздух имеет инерцию как и все остальное, как раз для малых скоростей расчетные значения у Болдырева оч. хорошо совпадают с экспериментом

Опыты с зонтиком и с доской пусть коряво но дают Сх=10…11, то есть нестационарность работает, это самое главное, веер  - это частный случай ее реализации, возможны и другие, проекция силы сопротивления на биссектрису угла для создания тяги – это чисто тригонометрическая задача, Болдырев здесь интегрировал в каждой точке, и если формулу тяги преобразовать аналогично как выше то получим:

1,225*3,87*V2*S, зависимости V2/Y здесь нет видимо так как при увеличении угла колебания до разумных пределов хоть снижается ускорение воздуха при равных V задней кромки, зато растет проекция на биссектрису угла

ВСЕ, МОГ ЧТО – ТО НАПУТАТЬ НО ПОРЯДОК ПРИМЕРНО ЦИФР ТАКОЙ, В ПРОГРАММЕ НАВЕРНОЕ ЗАЛОЖЕНЫ ФИКСИРОВАННЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЭТОМУ РЕЗУЛЬТАТ НЕ КОРРЕКТЕН, НУЖНА МОДЕЛЬ ИЛИ СТЕНД

В дополнение к Ответ #6089 - Сегодня :: 18:15:38:

В выведенных формулах фигурирует скорость задней кромки предкрылка, в то время как центр сопротивления колеблющегося тела прямоугольной формы лежит на 0,6R если сила сопротивления в каждой точке пропорциональна скорости в квадрате (неоднократно проверял в экселе и об этом пишет Лилиеналь)

Так что для сравнения с классическими формулами дополнительно умножаем коэффициенты 3,87/(0,6*0,6)=10,75

7.74/(0.6*0.6)=21.5

В случае с доской и зонтиком Сх около 10...11, но в ф-лах Болдырева предкрылок бесконечной длины,

да и в   стационаре Сх=1,1, для квадрата в, а для прямоугольной пластины бесконечной длины Сх=2

под углом 90 град
Наверх

 

[DesertEagle]

смоделировать процесс с параметрами испытанного мной предкрылка, и сравнить результаты моделирования с испытаниями.

Не вопрос, пришлите данные по вашей установке. Геометрию, взаимное расположение предкрылка и крыла, амплитуду и частоту колебаний.

 

[KAA]

А что Вы думаете КАА по такому примитивному опыту (попытка испытать "Медленное колеблющееся крыло):

1 Оборудование:зонтик ф90см, дверь 200х80см из массива ольхи с остеклением ок 37% площади (максимальное открытие 90 град, дальше упирается в стену)

Извините, я не готов ещё обсуждать опыты с дверью и зонтиком... :

 

[KV1237542]

Извините, я не готов ещё обсуждать опыты с дверью и зонтиком...

Да, материя не высокая, а то глянули бы формулки...

Это не от хорошей жизни, я полагаю, что симуляция на околонулевых скоростях для предкрылка будет врать

 

[DesertEagle]

Итак, я получил вот такие исходные данные:

Крыло
b=600мм
l=1350
Профиль GA(W)-2
Предкрылок:
l np=1315 мм
b np=162мм
Расстояние от оси вращения до задней кромки R=140мм
Амплитуда колебаний +/- 12,5 град.
Вынос оси вращения отн. ПК крыла-120мм, вверх отн. пл-ти хорд-33мм.
Испытания проводились при скоростях потока 0 и 10 м/с.

В них где-то ошибка, потому что при таком раскладе предкрылок упирается в крыло в нижнем положении. Что и неудивительно, расстояние от оси качания до задней кромки предкрылка 140 мм, а вынос оси до передней кромки крыла 120 мм, то есть меньше длины качающегося хвостика предкрылка.

Нужно либо поднять его повыше, чтобы при отклонении не касался крыла, либо отодвинуть подальше. Я немного отодвинул. Также не указаны частота колебаний, но я что-то такое помню про 30 Гц, поэтому использовать ее. Скорость полета выбрал 10 м/с, все продувки были на ней. Первый прогон был на угле атаки 5 градусов, остальные на 9 град.

В зависимости от настроек алгоритма (шаг сетки и т.д.), тяга предкрылка в одном случае составила 1.14  Н при потребляемой мощности 25.64 Вт, в другом 0.98 Н при 28.07 Вт и в третьем 1.26 Н при 36 Вт. Что дает удельную тягу 3.1 - 4.5 кг/кВт (на скорости полета 10 м/с). Еще в одном случае потребляемая мощность почему-то была 44 Вт, но там тяги вообще не получилось, возможно я что-то накосячил с настройками. В целом, кпд предкрылка при работе совместно с крылом составил от 35% до 44%. Cy крыла вышел на уровне 0.4, но это можно списать на грубость сетки. Увеличение разрешения могло бы уточнить цифры, так как профиль крыла довольно сложный с точки зрения обтекания (вогнутость у хвостика и т.д.).

К сожалению, с хорошей точностью будет считаться с неделю, поэтому эти результаты можно рассматривать только как первое грубое приближение.


И несколько анимаций. Формат GIF изрядно портит картинку, но что-то разобрать можно. Что радует, при выбранных параметрах поток от прекрылка обтекает верхнюю поверхность профиля крыла. У меня на ранних тестах с полноразмерным самолетом болдырева получалось, что поток срывался с профиля на верхнем перегибе и характеристики получались удручающими. А тут вроде ничего так...

На первых двух предкрылок колеблется в горизонте (в программе есть пара глюков с иерархией объектов)

А здесь предкрылок "закреплен" и повернут вместе с крылом на 9 градусов:

Другой ракурс

 

[DesertEagle]

Что я заметил на всех виртуальных продувках, так это то что предкрылок довольно существенно влияет на обтекание нижней поверхности профиля. И это не смотря на то что предкрылок находится выше крыла! На анимациях видно, что когда предкрылок опускается, то у нижней части передней кромки основного крыла появляется светлая область (чем светлее, тем выше здесь скорость потока, см. легенду справа). Похоже что предкрылок выдавливает часть воздуха вниз, под основное крыло.

Это довольно сильно уменьшает подъемную силу крыла, она постоянно колеблется - то увеличивается, то уменьшается на каждом махе. Наверно в том числе этим можно объяснить относительно низкий Cy основного крыла (не забываем, что я отодвинул предкрылок чуть назад, чтобы он не цеплял крыло. смущает несоответствие расстояний 14 и 12 см в исходных данных).

В любом случае, видимо нужно подобирать такое положение предкрылка, чтобы он не влиял на обтекание снизу. Либо задвинуть его дальше над основным крылом, либо выбрать профиль с более толстым лобиком, чтобы вытесненный воздух не успевал за время маха переваливать через точку разделения потока.

 

[KAA]

@ DesertEagle
Колоссально!ФВеерично!Цветомузыка прям! Можно музыкальные клипы делать с этими картинками!
Я конечно лажанулся,извиняюсь-болезнь Альцгеймера подступает.  :-["Нейтральная"плоскость предкрылка наклонена под углом 10 град. к плоскости хорд.Так не должно задевать и получится как вы указывали

нужно подобирать такое положение предкрылка, чтобы он не влиял на обтекание снизу. Либо задвинуть его дальше над основным крылом

Данные по мощности заметно отличаются от моих замеров.
Имеет смысл также смоделировать процесс без потока (V=0), на частотах от 20 до 35 Гц, я делал такие замеры.

а то глянули бы формулки...

Да,конечно, попробую разобраться.

 

[JonSu]

Если пойти дальше и "распрямить" вихрь в верхнем положении предкрылка, поставив сверху второе крыло зеркально?
(Это идея самого Болдырева).
Конечно, получится просто движитель, т.к. подъемные силы компенсируют друг друга.
Но, интересно,что получится...

 

[DesertEagle]

Колоссально!ФВеерично!Цветомузыка прям!

Ну извиняюсь... =) Сложно подобрать диапазон цветов, чтобы отобразить смысловые скорости потока. Отсюда лезут артефакты, да еще в gif палитра очень ограничена.

Данные по мощности заметно отличаются от моих замеров.
Имеет смысл также смоделировать процесс без потока (V=0), на частотах от 20 до 35 Гц, я делал такие замеры.

А в эксперименте какие мощности получились? Чтобы не перерывать всю ветку в поисках. На скорости 10 м/с и частоте 30 Гц.

Со статикой V=0 не получится, для статики требуется большая расчетная область. Мой ноутбук трехлетней давности не потянет. Я и так ужал ограничивающий объем как только смог. По-хорошему, со всех сторон надо делать расстояния от объекта до границ расчетной области не менее 3-5 хорд. Это для динамики, а в статике соответственно на расстояние "долета" вихреобразований.

 

[DesertEagle]

Конечно, получится просто движитель, т.к. подъемные силы компенсируют друг друга.

Ну, Болдырев там смело писал про 100% кпд такого движителя (с двумя крыльями, сверху и снизу). А как будет на практике - кто знает... Надо проводить натурный эксперимент. Виртуальным продувкам верить особо нельзя.

 

[KV1237542]

Данные по мощности заметно отличаются от моих замеров.
Имеет смысл также смоделировать процесс без потока (V=0), на частотах от 20 до 35 Гц, я делал такие замеры.

Вот это главное (на нулевой скорости все расхождения симуляции с опытом будут более очевидны) - оттого и попытка с зонтиком, в моих глазах кстати довольно оптимистичная и более-менее воспроизводимая.

 

[KV1237542]

Со статикой V=0 не получится, для статики требуется большая расчетная область. Мой ноутбук трехлетней давности не потянет. Я и так ужал ограничивающий объем как только смог. По-хорошему, со всех сторон надо делать расстояния от объекта до границ расчетной области не менее 3-5 хорд. Это для динамики, а в статике соответственно на расстояние "долета" вихреобразований.

Может можно взять какую-то минимальную скорость на которой потянет, возможно ближе к нулю?

 

[DesertEagle]

Может можно взять какую-то минимальную скорость на которой потянет, возможно ближе к нулю?

Видите ли, не существует одного универсального метода расчета... Парадокс заключается в том, что чтобы в CFD что-то посчитать, нужно заранее знать что должно получиться на выходе. Там очень многое зависит от принятых условий, граничных условий и др. Поэтому нельзя быть уверенным, что результат расчета адекватен, даже если он сделан на суперкомпьютере с максимальной сеткой. И поэтому в реальности применение таким программам видится скорее такое: сначала нужны экспериментальные данные. Потом вы настраиваете алгоритм расчета, чтобы результат сошелся с тем что имеется в реальности. А уже имея такое совпадение, теперь можно посмотреть как там движется поток и сделать оптимизацию конструкции. Например как на анимациях выше видно, что предкрылок поддувает и на нижнюю поверхность. Это можно устранить и повысить эффективность движителя.

Сейчас вроде научились на небольших моделях снимать скорости потока напрямую лазером. Получается такая же сеточка с векторами скоростей, как на картинках выше. В этом случае надобность в CFD отпадает.  Но такая технология еще не докатилась до нашей деревни =).

Поэтому "домашние" виртуальные продувки это лишь ориентир, а не веский последний довод. При желании конечно можно добиться приемлимой точности и адекватности, но это очень трудоемкий процесс. Скажем, для серьезной работы это займет пару месяцев работы с десятками прогонов, каждый по несколько дней, и финальный на недельку-другую. И это только с одной трехмерной моделью, а не серия.

 

[DesertEagle]

Если пойти дальше и "распрямить" вихрь в верхнем положении предкрылка, поставив сверху второе крыло зеркально?
(Это идея самого Болдырева). 

Кстати, я не очень представляю как должна выглядеть такая схема и что там должно происходить. Профили крыльев должны стоять под таким же углом как в аэродинамическом кольце для винта что ли? Как вообще должна происходить утилизация энергии вихрей, хорды крыльев должна быть такой длины, чтобы вихри полностью распались и на выходе из "трубы" шел более менее равномерный поток? Если кто-то набросает геометрию, я могу поставить на расчет. Ради интереса, прав ли был Болдырев насчет стремящегося к 100% кпд такого движителя.

 

[KV1237542]

Потом вы настраиваете алгоритм расчета, чтобы результат сошелся с тем что имеется в реальности.

Т.e. основную мысль корректны ли формулы Болдырева (врет ли симуляция) не проверишь?

 

[DesertEagle]

Т.e. основную мысль корректны ли формулы Болдырева (врет ли симуляция) не проверишь?

Так ведь у Болдырева в формулах присутствует скорость. Какой смысл измерять статическую тягу, для вертикального взлета? Тяга движителя нужна на скорости полета. Как только КАА скажет сколько намерял потребляемой мощности в эксперименте на 10 м/с и 30 Гц, вот и будет сравнение. Попасть с погрешностью 30% в аэродинамических расчетах подобного рода, где еще нет эмпирических поправок, выведенных из опыта, это было бы очень хорошим результатом.

Но в целом да, CFD пакеты калибруются по известным экспериментальным данным. Например есть такой известный тест по построению поляры симметричного профиля NASA0010. И в любом CFD пакете еще нужно очень сильно постараться, чтобы результаты расчета стали с достаточной степенью точности совпадать с результатами продувки в реальной аэродинамической трубе. Причем до сих пор не утихают споры, разработчики пакетов говорят что это в трубе из-за особенностей замеров намеряли неправильно, а их программы считают точно =). Так что это вещь в себе. Но очень полезная для быстрой проверки идей или хотя бы порядка цифр.

А что касается точности, то CFD пакеты на данный момент самый точный из доступных методов расчета для нестационарной аэродинамики - махов, колебаний и прочего. В местах где можно выделить более менее стационарные течения, например большие махолетные крылья или самолет в активном вираже, альтернативу может составить только аналитический метод дискретных вихрей. Это тот что англ. языке называется VLM. Это по сути обычный метод Жуковского с присоединенным вихрем, но примененный не ко всему крылу, а к маленьким участкам, на которые разбивается крыло сложной формы. Потом остается только по тем или иным правилам учесть взаимодействие этих маленьких вихрей (например сложить их) и получается некая приближенная картина общего обтекания крыла. Очень хороший метод, покрывающий потребности 99% полноразмерных человеческих ЛА. Дает более предсказуемые результаты, чем численные расчеты в CFD пакетах. Собственно, это стандарный метод для расчета всех серьезных проектов вроде пассажирских самолетов. Жаль только с реализацией таких программ для общего пользования слабовато. А CFD суют куда не лень, в каждый популярный САПР. Что конечно здорово, ими теперь можно пользоваться на бытовом уровне. Несколько лет назад там все было очень сложно, освоить самостоятельно любой CFD пакет было практически невозможной задачей (не зная теорию как они устроены изнутри). А теперь ситуация гораздо лучше, достаточно знать лишь несколько простых правил подготовки модели и какие есть ограничения.

 

[KV1237542]

Так ведь у Болдырева в формулах присутствует скорость. Какой смысл измерять статическую тягу, для вертикального взлета? Тяга движителя нужна на скорости полета. Как только КАА скажет сколько намерял потребляемой мощности в эксперименте на 10 м/с и 30 Гц, вот и будет сравнение. Попасть с погрешностью 30% в аэродинамических расчетах подобного рода, где еще нет эмпирических поправок, выведенных из опыта, это было бы очень хорошим результатом.

1. Может свести в таблицу: Эксперимент КАА - Расчет Болдырева - Симуляция, чтоб от чего-то отталкиваться

2. Именно статическую и имеет смысл в 1 очередь - яснее будут противоречия, а на скорости мы, возможно попадая в эти самые 30% так и н поймем-не усилим противоречий, не заметим разницы
Я, ничего не смыслю в симуляции, но повторюсь, считаю, если коротко, что механизм взаимодействия здесь другой, особенно на малых скоростях: если не вдаваться в вихревые дебри то воздух, имея инерцию и массу взаимодействует с предкрылком в т. числе и по закону Ньютона: сила=масса*ускорение, т.е. значение имеет не только квадрат скорости в какой-то точке движения, с точки зрения аэродинамических формул это эквивалентно увеличению Сх, а далее тяга - это просто проекция Сх на биссектриссу угла махания, многократное увеличение Сх может настолько снизить скорость-мощность движителя, что на некоторых режимах при равной нагрузке предкрылок превосходит винт
    ну и 2 аспект: стекая с предкрылка, сталкиваясь с ним под большим углом атаки воздух естественно завихряется и если этот вихрь спрямить можно и как-то утилизировать эту энергию

3. Я считаю, что формулы Болдырева - более - менее адекватны и позволяют создать в итоге также низкоскоростное колеблющееся крыло, для режима взлета-висения, почему и попытался с этим зонтиком махать, но если этот опыт не корректен, то может сравнение опытов КАА поможет пролить свет, а симуляция, возможно будучи не корректной заведомо закрывает это перспективное направление

4. Высокоскоростной нагруженный предкрылок требует балансировки и создает много технических проблем при воплощении, возможно при больших хордах, малых скоростях и даже ручном приводе в эксперименте можно получить интересные данные при более простой установке. Я не знаю о чем думал Болдырев разрабатывая свою концепцию, но наверное в то время (быстрее выше дальше) он только к такому "самолетному" варианту и мог бы привлечь внимание и пытается в отчетах своих в том числе показать, что предкрылок тоже как и винт может позволять летать на более-менее приличной скорости и с хорошим КПД, а может привлекательнее в 1 очередь другие перспективы...

 

[JonSu]

Кстати, я не очень представляю как должна выглядеть такая схема и что там должно происходить. Профили крыльев должны стоять под таким же углом как в аэродинамическом кольце для винта что ли? Как вообще должна происходить утилизация энергии вихрей, хорды крыльев должна быть такой длины, чтобы вихри полностью распались и на выходе из "трубы" шел более менее равномерный поток? Если кто-то набросает геометрию, я могу поставить на расчет. Ради интереса, прав ли был Болдырев насчет стремящегося к 100% кпд такого движителя. 

Может так?

 

[DesertEagle]

Может так?

Я тоже думаю что примерно так. У Болдырева как-то невнятно описан этот случай с двумя крыльями. Ясна только идея - утилизировать энергию вихрей, сходящих с задней кромки в крайних точках махов. Только я наверно сделал бы так:

Чтобы предкрылок не вытеснял воздух за пределы туннеля. А в остальном как в аэродинамических кольцах - длина туннеля не менее 0.8 радиуса, внутренние стенки должны идти строго горизонтально или чуть-чуть расширяясь. Но ни в коем случае не сужаясь, так как не позволить потоку сузиться после винта(предкрылка) есть одна из задач аэродинамического туннеля. Да надо просто поставить на симуляцию и посмотреть. Как будет чуть больше свободного времени. А какие интересуют размеры и подводимые мощности? Я думаю на выходе надо получить тягу не менее 25 кг и размеры наверно должны быть не меньше ометаемой площади 80-90 см винта, то есть от 0.5 м2.