Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil: Bericht

mipme_kampfkoloss

Vereinsmitglied
Teammitglied
Hi,

ja das Problem mit der Kante an der Nase habe ich auch.
Keine Ahnung obs ein Bug ist, oder das Resultat der Glättung.

Meist besteht die Kante aber aus 1-2 Punkten und diese hab ich dann einfach rausgelöscht aus dem Profil.
Oder man macht es direkt im Invers Design mode mit splines an den richtigen stellen. Dann wird's Profil auf wieder dünner oder dicker...

Was hast du denn für Probleme mit der Installation von xoptfoil? Welche Plattform?
 

Jojo26

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Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil – Zwischenfinale

Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil – Zwischenfinale

… nach der vielen Zeit am Rechner, beschäftigt mit Profiloptimierung und Konstruktion, war es eine schöne Abwechslung nun endlich losbauen zu können. Die Fläche mussten unbedingt (!) zu meinem Dänemark Urlaub im Oktober fertig werden um dann gleich mal zu zeigen was sie drauf haben. Meine kleine CNC-Fräse hatte sich durch einige Holzplatten zu arbeiten. Aber schließlich - uff – gerade noch geschafft.

In Dänemark konnte ich dann bei (ausnahmsweise) Traumwetter und 4-5 Windstärken die neuen Flächen an meinem alten Europhia-Rumpf erstmals ausgiebig testen

IMG_1987-klein (2).jpg

Die Flugeigenschaften sind vollkommen problemlos, sehr ausgewogen, überziehfest und was mich besonders gefreut hat, fühlt sich das Modell in der Luft sehr „fluffy“ an, nimmt wunderbar Höhe mit und kann dann wieder mit einem leisen Zischen an der Hangkante entlang geschrubbt werden. Eigentlich genau so, wie ich es mir erhofft hatte … ;)

Tja – wenn da nicht ein ganz anderes Problem deutlich geworden wäre: Die mangelnde Torsionssteifigkeit der Flächen. Ich hatte ziemlich unterschätzt, welche Kräfte beim schnellen Fliegen, insbesondere auch bei beherzteren Querrudereinsatz auftreten können.

Frei nach dem Motto „Function follows Form“ hatte ich die t/4-Linie Richtung Randbogen nach hinten gezogen, was die Momentenbelastung entlang der Spannweite weiter erhöht. Zusätzlich hatte ich die hintere Unterseite nicht beplankt – wie sich natürlich herausstellte trotz D-Box ein no-go in Sachen Torsionssteifigkeit...

Heilix Blechle! Manchmal könnte man sich selbst schütteln.

Da ich aber vom Gesamtkonzept und Ansatz nach wie vor sehr überzeugt bin, ging es dann schon in Dänemark an die Neuauslegung und Konstruktion einer überarbeiteten Version. Diesmal sollten dann auch die Limitierungen, die ich bei der Profil-Optimierung vorgegeben hatte, weitgehenst zurückgenommen werden um einmal alles aus einem Profil „heraus zu kitzeln“. Insbesondere aber dann auch bei Konstruktion und Bau einmal „heavy duty“ bei maximaler Baugenauigkeit anzugehen.

Dazu dann in Bälde mehr ...

Viele Grüße

Jochen
 
Probleme mit dem Xoptfoil

Probleme mit dem Xoptfoil

Ich hab mir Xoptfoil heruntergeladen und entpackt. Wenn ich dann unter bin, Win64, die Anwendung xoptfoil anklicke poppt ganz kurz ein Fenster auf und verschwindet wieder. Das Fenster ist schwarz, mehr konnte ich nicht erkennen, ist es möglicherweise ein DOS Fenster?

Was mach ich falsch? Bitte um Hilfe!

Mfg
Michael
 

mipme_kampfkoloss

Vereinsmitglied
Teammitglied
Hi michael,

ich kann dir nur sagen, dass xoptfoil grundsätzlich über die commandozeile gesteuert wird.
Also wirst du das DOS Fenster schon brauchen. Bin seit Jahren auf einem Mac und hab die Windows-Anleitung nicht beachtet,
aber wird wohl ähnlich sein. Man führt einfach im Arbeitsverzeichnis den Befehl aus:

xoptfoil -i <config-input-file> -o <profile-output-file-name>

Genaueres findest du sicher in der Anleitung.
 

Jojo26

User
Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil - Finale

Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil - Finale

Wie bei vielen anderen Dingen gilt wohl insbesondere auch bei der Profilentwicklung „Der erste Wurf ist nur zur Übung“. Nachdem ich mich entschlossen hatte, die Flächen wegen „konstruktiver Mängel“ neu aufzubauen, sollten auch der Profilstrak neu entworfen werden. Das Ziel: Alles aus Xoptfoil herauszukitzeln, was (zumindest für mich) möglich ist.
Dem Quereinsteiger zu diesem Thema und zu Xoptfoil im Allgemeinen empfehle ich, zunächst die ersten Beiträge dieses Themas zu lesen.


Das hatte ich mir dann doch einfacher vorgestellt: Schnell mal einen neuen Profilstrak machen, der alles besser kann.

Zumindest schnell wurde deutlich, dass ich mich mit meinen Anforderungen im Grenzbereich bewege, was mit Xoptfoil derzeit möglich ist. Im Lauf der Zeit wurden mir auch zunehmend bestimmte Schwächen bzw. Unschönheiten der gegenwärtigen Xoptfoil-Implementierung bewusst. Da ich aber nach wie vor von dem grundlegenden Ansatz begeistert war (und bin), begann ich, mich mit dem Programm selbst zu beschäftigen und schließlich mehr und mehr Modifikationen in der Softeware vorzunehmen.
Die nun neu entstandenen Profile sind meiner Meinung nach für den angestrebten Einsatzbereich recht gut geworden (ach was – die sind verdammt gut geworden! ;)) Dazu und noch zu ein paar weiteren Aspekten der Optimierung möchten ich in diesem „finalen Beitrag“ schreiben.


Rahmenvorgaben und Ziele des Profilstraks

Nochmals kurz zusammengefasst, die ursprünglichen Rahmenvorgaben, die auch für den Neuentwurf gelten sollten:

  • Spannweite ca. 2,8m, 4 Klappen-Flügel
  • Fluggewicht 1,7 - 2,3 kg
  • Flächentiefe an der Wurzel 260mm, an der Flügelspitze ca. 110m
  • Re√ca 130.000 (Wurzel) – 60.000 (Flügelspitze)
  • Einsatz: Flotter Hangflug mit Freude am Steigen bei entsprechenden Aufwinden
Beim ersten Entwurf wurde deutlich, dass die Vorgabe „Keine gewölbte Profilunterseite“ doch deutliche Leistungseinbußen bei mittleren bis hohen ca-Werten zur Folge hatte. Daher wurde diese Vorgabe für die Neuentwicklung nicht mehr gemacht. Allerdings sollte eine Mindestbauhöhe im Endleistenbereich eingehalten werden, um die Flächen in Holzbau ohne zu viel CFK-Einsatz umsetzen zu können.


Das Referenzprofil

Bei zahlreichen Vergleichen mit anderen bewährten Profilen fiel mir immer wieder das NM 12 von Nicolas Mathis besonders auf. Das NM 12 ist ein wirklich hervorragender Entwurf für den von mir vorgesehenen Einsatzbereich, das schon sehr nahe an mein gesuchtes Ideal herankommt:

NM12 im Vergleich.png
Das NM 12 im Vergleich zu anderen typischen Profilen in der Typ 2 Polare. Gut zu sehen ist seine Stärke zwischen ca = 0,1 – 0,5. Der bisherige Entwurf ist grün gestrichelt…


Den kurz aufkommenden Gedanken „Nimm doch einfach das NM12!“ schob ich dann aber schnell zur Seite – das wäre dann doch zu einfach gewesen. Auch gibt es ein paar wenige Eigenschaften des NM 12, die ich gerne anders hätte.

NM12 Modifikationen.png
Die von mir gewünschten „Veränderungen“ am Profil NM 12: Homogenerer Verlauf der Typ 2 Polare im oberen ca-Bereich und eine größere Dicke nahe der Hinterkante.


Mein Wunsch war es, auch im oberen ca-Bereich einen möglichst homogenen Verlauf zu haben um auch bei unsteten Verhältnissen (Wind oder Knüppel) tolerante Flugeinschaften zu haben. Und schließlich sollte wie eingangs erwähnt, der Endleistenbereich nicht zu dünn werden, um die konstruktive Auslegung zu vereinfachen. Als Vergleichs-Messlatte ist das NM 12 aber bestens geeignet.


Modifikationen an Xoptfoil

Die finale Optimierung eines Profils mit Xoptfoil kann eine knifflige, vor allem auch zeitintensive Angelegenheit sein. Möchte man beispielsweise den cw-Wert an einem Arbeitspunkt der Polare noch ein bisschen verbessern, kann es sein, dass ein anderer Arbeitspunkt -typischerweise am anderen Ende der Polare - sich schlagartig verschlechtert. Man versucht, dieses wackelige Spiel mit der Gewichtung der Arbeitspunkte einigermaßen hinzubekommen. Oft geht es dann nur noch um „ein Prozent hier mehr“, dort um ein „kleines Bisschen weniger“. Um dies zu vereinfachen, implementierte ich in Xoptfoil „Aerodynamische Zielwerte“ mit denen man beispielsweise vorgeben kann, welcher cw-Wert bei einem bestimmten ca-Wert der Polare erreicht werden soll.

Auf die Spitze getriebenen, kann man mit diesen Zielwerten eine Ziel-Polare „auf dem Papier“ definieren, diese dann an Xoptfoil übergeben und am Ende bekommt man das zugehörige Profil als Ergebnis. Cool! :cool: Ein wenig realistischer ist eine Anforderung, bei der man ein vorhandenes Profil beispielsweise nur über ca = 0,7 optimieren will - die restlichen Eigenschaften aber beibehalten möchte.

Eine weitere Modifikation von Xoptfoil waren „Geometrische Ziele“ um beispielsweise eine „Wunschdicke“ des Profils an der Wurzel zu bekommen. Es ist interessant zu sehen, wie dann während eines Optimierungslaufes aerodynamische und geometrische Ziele versuchen, sich „untereinander zu einigen“.

Intensiver beschäftigte ich mich schließlich mit der Oberflächenqualität der von Xoptfoil erzeugten Profile. Insbesondere in der Geschwindigkeitsverteilung über das Profil sind manchmal „schwache Hügel“ auszumachen - wenn man näher hineinzoomt dann kleine Unstetigkeiten. Meine anfängliche Vermutung, dass hier der Partikel-Schwarm bei seinem unermüdlichen Hämmern auf das Profil seine Narben hinterlässt hat (siehe dazu den Eingangsbeitrag), erwies sich als falsch. Xoptfoil erzeugt nach genügend Iterationen fast perfekt, homogene Profilveränderungen.

Wer dazu gerne noch ein wenig tiefer in "meine Forschungsergebnisse" eintauchen möchte, insbesondere auch zum Thema „Smoothing von Profilen“, findet hier noch zusätzlichen Lesestoff: https://www.rcgroups.com/forums/showpost.php?p=43250459&postcount=561

Das von mir modifizierte Xoptfoil – genannt Xoptfoil-JX – ist auf „Github“ abgelegt: https://github.com/jxjo/Xoptfoil


Der neue Strak

Nach diesem ungeplanten Ausflug in die Softwareentwicklung konnte es dann endlich an die Berechnung des neuen Straks gehen. Dem unermüdlichen Suchen des Partikel-Schwarms nach dem, entsprechend meiner Gewichtung vorgegebenen, aerodynamisch optimalen Profil, habe ich nur eine Wunschprofildicke an der Wurzel von 7,65% und eine (indirekte) Mindestdicke des Profils bei x/c = 0,7 mitgegeben.

Als Ausgangsprofil wurde wieder das Profil HD 45 verwendet. Dieses ist allerdings nach der Optimierung nicht mehr zu wiederzuerkennen (Herr Delago kann mir hoffentlich verzeihen). Es hat sich bei den zahlreichen Optimierungsläufen herausgestellt, dass das Ausgangsprofil nicht so entscheidend ist, wie ich ursprünglich angenommen habe. Richtig eingestellt findet Xoptfoil auch über einen Umweg das optimale Profil.

Wie bereits beschrieben, ergibt sich das jeweils nächste Strakprofil aus dem zuvor errechneten Profil mit neuen RE-Zahl-Werten an den definierten Arbeitspunkten.
Insgesamt wurden schließlich 4 Strakprofile zwischen Re√ca 130.000 (Wurzel) – 60.000 (Flügelspitze) gerechnet. Zur Flügelspitze hin wurde mehr auf eine „breitbandige, robuste Polare“ als auf einen Spitzenwert bei einem bestimmten ca-Wert optimiert.

Die Optimierung erfolgte für alle Profile bis hinunter zu ca=0,05. Die Polare darunter, insbesondere auch für negative ca-Werte (Rückflug) wurde zwar im Auge behalten, aber zugunsten der Eigenschaften im typischen Flugbereich ca=0,1 – 0,7 nicht optimiert sondern nachgezogen.

JX HX Strak.png
Der neue Strak mit dem Basisprofil JX HX 13 mit 7,65% Dicke. Bis zur Flächenspitze nimmt die Dicke kontinuierlich bis auf 7,3% ab.


JX HX Aufdickung.png
Der angestrebte leichte Aufdickung im Endleistenbereich erhöht die Baubarkeit (zu Lasten weniger Prozentpunkte Gleitleistung im mittel-hohen ca-Bereich)


Mit dem Ergebnis bin ich nun recht zufrieden. Gegenüber dem ersten Profilstrak ist der neue Strak in fast allen Bereichen überlegen - insbesondere hat er deutlich mehr Reserven bei höheren ca-Werten.
Da bei dieser Neuberechnung noch mehr „X“ (Xoptfoil und Xflr5) am Werk war, habe ich den Strak JX HX … genannt. Das Wurzelprofil JX HX 13 ist recht breitbandig und kann problemlos im Bereich Re√ca 100.000 – 150.00 eingesetzt werden (eigentlich bräuchte es das 110er im Strak gar nicht)

JX HX Strak Polare.png
Die Typ 2 Polare des neuen Straks JX HX. Gegenüber dem Referenzprofil NM 12 hat das Basisprofil JX HX 13 ein wenig an Spitzenleistung verloren, ist dafür aber breitbandiger ausgelegt.Das Basisprofil des ersten Straks JX HD 13 duckt sich nun ziemlich weg und kann nur noch bei ca-Werten < 0,1 punkten.


Rechtzeitig zur Winterszeit, kann es nun (endlich) an den Bau der neuen Flächen gehen. Und hoffentlich bewahrheitet sich dann im neuen Jahr, dass sich der Kampf um den letzten hundertstel Millimeter Profil auch gelohnt hat ;)
Angehängt sind die 4 neuen Strakprofile für die auch hier gilt: original und unbehandelt aus der Partikel-Schwarm-Werkstatt.

Viele Grüße

Jochen
 

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Hallo Jochen,
das ist echt ganz grosses Kino. Vielen Dank für diese Entwicklung. Bis jetzt bin ich leider an der Installation gescheitert, aber ich glaub das muss ich jetzt noch Mal probieren. Also noch Mal herzlichen Dank und weiterhin viel Freude beim Bauen der eigenen Entwürfe,
Schöne Grüße,
Johannes
 

Jojo26

User
Hallo Johannes,

... danke! ;) Für mich ist es auch nach wie vor "magic", wie aus so einem im Grunde genommen einfachen Optimierungsverfahren ein neues Profil langsam entsteht ...
Sag bitte Bescheid, wenn ich Dir bei der Installation behilflich sein kann.

Hallo an alle "Profil-isten",

... mich würd's freuen, Rückkopplung über den entstandenen Profilstrak zu bekommen...

Viele Grüße

Jochen
 

Tern

User
Hallo Jochen

zunächst besten Dank für das Veröffentlichen Deiner Arbeit.
Ist sehr interessant das Optimierungstool.

Ich denke, das Profil JX HX 13 passt gut zu deinem Ziel einen leichten 4 Klappen Segler zu bauen.

Falls Du jedoch über 2.3kg ballastieren möchtest (also eher Richtung F3F), dann wäre es wohl sinnvoll das Profil etwas auf der Unterseite anzupassen.
Ziel müsste dann eine Optimierung im Bereich von Re 500'000 sein.
Zudem müsste dann auch die Bauweise angepasst werden.
Ein 7.65% Profil ist auch in Schalenbauweise nicht ganz einfach torsionssteif hinzukriegen.
Ein Nachteil des JX HX 13 wäre für diese Anwendung auch die Bauhöhe im Klappenbereich.
Generell ist die Holzbauweise eher nicht geeignet die Leistung aus einem modernen Profil wie dem JX HX 13 herauszuholen. Hier wäre die Positivbauweise (wie sie Jan Henning beschreibt) hinsichtlich Aufwand/Leistung besser.

Gruss
Markus
 

Jojo26

User
Hallo Markus,

vielen Dank für Deine Rückkopplung!

Das sind auch die Punkte, die mich noch umtreiben ;)

Dazu ein paar Anmerkungen über meinen Denkstand und auch noch Fragen an Dich.
(ich schreibe ein wenig ausführlicher, damit der ein oder andere, der gerade noch am Reinkommen in das Thema ist, noch nachvollziehen kann um was es geht...)


Geometrie und Bauweise

Ja, die angestrebte Geometrie des Profils ist schon ziemlich extrem für die angestrebte Holzbauweise. Das ist auch der Grund, weshalb ich die Dicke auf 7,65% "erhöht" habe (ich war bereits bei 7,3%) und gleichzeitig versuchte, die Steghöhe im Klappenbereich im Vergleich zum NM 12 verträglich hinzubekommen. Au, au - denke ich mir - das ist nichts mehr für Holzbau-Schatten-Parker :(

Auf Grund der Erfahrungen mit der vorherigen Tragfläche möchte ich deshalb eher eine Hybrid-Bauweise machen: Komplett 0,6mm Sperrholzbeplankung, mit einer D-Box verstärkt mit 160g/m² CFK-Diagonalgewebe und Aufbau in einer Negativ-Helling. Ein kleiner Versuchsaufbau war schon recht vielsprechend in Bezug auf Oberflächengüte und Genauigkeit, insbesondere aber in Sachen Torsionssteifkeit:

Testaufbau.jpg

Das "Ding" ist schon ziemlich hart. Vielleicht könnte es so für die ganze Fläche klappen... (über Sinnhaftigkeit in Bezug auf Aufwand/Ergebnis möchte ich gar nicht nachdenken ;) Es ist aber einfach reizvoll auszuloten, wieviel mit Holz und ein wenig High-Tech-Unterstützung geht...)


Aerodynamik - Unterseite und RE-Zahl

Bei den Optimierungsläufen mit Xoptfoil war ich überrascht zu sehen, welch ein "Sensibelchen" die Profilunterseite bezüglich der laminaren Lauflänge ist. Da die Unterseite nicht durch die Profilwölbung "unterstützt" wird, bricht sie bei negativen Anstellwinkeln relativ schnell und heftig ein. Ich hatte versucht, zumindest für postive (niedrige) ca-Werte - ist gleich niedrige negative Anstellwinkeln - noch eine halbwegs gute Lauflänge hinzubekommen ohne zu viel Einbußen bei mittleren ca-Werten zu bekommen. Ist es Deiner Meinung nach noch zu wenig ...?

Optimierung für RE=500.000 - hier kann ich noch nicht verstehen, was Du mit der Empfehlung meinst. Die meisten Bewertungen der Profile hatte ich auf Basis der Typ 2 Polare (konstanter Auftrieb) gemacht wo dann bei ca = 0,05 bereits ca. RE=600.000 erreicht werden ...
Ich vermute aber, Du meinst mit Deiner Anmerkung mehr eine Bewertung des dynamischen Verhaltens des Profils durch die Betrachtung der Type 1 Polare (konstante Geschwindigkeit) beim F3F-mäßigen "Haken schlagen"? Es wäre klasse, wenn Du hierzu noch ein wenig mehr sagen könntest, was hier die Bewertungskriterien eines guten Profil sind.

Nochmals Danke für Deine Anmerkungen!
und
viele Grüße

Jochen
 
Aufteilung auf die Spannweite

Aufteilung auf die Spannweite

hallo Jochen,

wie teilen sich die Profile auf die Spannweite auf? Habe nichts gelesen oder was nicht mitbekommen.
Dank
Wolfgang
 

Tern

User
Hallo Jochen
Entscheidend ist immer, was Du genau von dem Flieger erwartest.
Dieses muss klar umschrieben sein, nur dann wird auch das Resultat keine Überraschung.

Beim JX HX 13 sehe ich die optimale Anwendung eher bei unteren ReZahlen, also kleiner 300'000.
Bei höheren Rezahlen sollte man noch optimieren (Unterseite).
Stichwort hier sind die laminaren Lauflängen.

Mein Hinweis auf die Re 500'000 bezieht sich eher auf F3F, da hier mit Ballast relativ häufig bei ähnlich hohen ReZahlen geflogen wird.
Somit kann diese Rezahl für die Profilentwicklung mithelfen.
Typ 2 Polaren dienen mir eher des Profilvergleichs, um zu erkennen wo die Stärken/Schwächen des einzelnen Profils sind.
Ich prüfe aber immer auch was bei einzelnen Rezahlen so passiert, und was dann SnapFlap so macht.
Ohne SnapFlap/Wölbklappen schöpft man die Leistung eines modernen Profils (auch des JX HX 13) nicht aus, darum ist das ein wichtiger Punkt.

Für wenig dynamisches Fliegen (hohe Ca bei kleinen Geschwindigkeiten) reicht sicher eine Holzfläche oder Styrofläche aus.
Auch für den Spass am Fliegen tut das keinen Abbruch.

Ist es aber wichtig mit Ballast Wenden zu fliegen (hohe Ca bei hohen Geschwindigkeiten) aus der eine Beschleunigung resultiert, dann denke ich geht das nicht gut mit Holz.
Der Grund ist die Torsion im Flügel und den Klappen.
Der Flügel verdreht und bremst sich selber aus.
Ob das bei deiner Bauweise der Fall ist, wirst Du sicher rausfinden.

Aktuell hat es bei einigen Bedingungen im F3F einen Vorteil, wenn man den Flügel aus Hochmodulcarbon (M40j oder ähnlich) herstellt.
Standardcarbon kann bereits ein Nachteil sein.
Ein F3F Flügel soll so torsionssteif wie möglich sein.
Dieses zeigt, wie wichtig die Steifigkeit ist.

Moderne Profile wären nichts Wert ohne die entsprechende Bauweise und entsprechende Materialien.
Das ganze ist als System zu begreifen.

Frage ist also was soll Dein Flieger können ?
In welchem Geschwindigkeitsband soll der fliegen ?
Und damit, wie schwer resp. wie viel soll ballastiert werden ?
Welches Ca soll der Flügel bei welcher Geschwindigkeit (ReZahl) liefern ?
Daraus ergibt sich der Profilstrak aber auch die Bauweise.


Gruss
Markus
 

Jojo26

User
Aufteilung auf die Spannweite

Aufteilung auf die Spannweite

hallo Jochen,

wie teilen sich die Profile auf die Spannweite auf? Habe nichts gelesen oder was nicht mitbekommen.
Dank
Wolfgang

Hallo Wolfgang,

... das soll nicht "flapsig" klingen, aber die jeweiligen Profile kommen an die Stelle hin, wo der jeweilige Wert von Re√ca, für den das Profil berechnet wurde, anliegt.

JX HX 13 --> Re√ca = 130.000
JX HX 11 --> Re√ca = 110.000
...

Für die Bestimmung von Re√ca findest Du auf der ersten Seite dieses Thema einige Hinweise. Dabei kommt es nicht auf den Millimeter an. Ein paar Prozent links oder rechts spielt eine zu vernachlässigende Rolle.
(Ich verwende für mich meist die Daumenregel, dass der Wert von Re√ca proportional der Flächentiefe ist: Wenn an der Wurzel Re√ca = 130.000 ist, dann liegen Re√ca = 110.000 bei 110/130=0,85 Flächentiefe an)

Ich hoffe, das hilft Dir weiter ...

Jochen
 

Jojo26

User
JX HXme – Der Unterseiten-Flüsterer

JX HXme – Der Unterseiten-Flüsterer

Markus hatte in seinem vorherigen Beitrag drauf hingewiesen, dass der aktuelle Profilentwurf nicht optimal für hohe RE-Zahlen ist. Die Unterseite hat noch Potential damit‘s dann richtig schnell wird. Stimmt! Deshalb dieser „Nachschlag“ um vielleicht noch ein paar Zusammenhänge bei der Profilentwicklung zu beleuchten. Zunächst aber noch


Hallo Markus, … klasse und Danke für Deine fundierten Anmerkungen!

Eingangs noch ein Wort zur Härte bzw. Torsionssteifigkeit der geplanten Tragflächen in Holz-CFK-Bauweise (eigentlich geht es in diesem Thema ja um etwas anderes). Ja - es wäre wirklich vermessen zu glauben, mit einer Holzfläche, verstärkt mit ein bisschen CFK, wären die mechanischen Eigenschaften moderner High-Tech-Flächen auch nur annähernd zu erreichen. Mein Ziel ist eigentlich so weit zu kommen, dass zumindest ich als Hobbypilot beim Fliegen sagen kann „Boah, erstaunlich was mit Holz noch so alles geht“. Meine persönliche Referenz in Sachen Hangflug ist mein wunderbarer (ehemaliger) „Freestyler 3“, der nach einem heftigem Absturz nun ein zweites Zaunkönig-Leben bekommen hat und jetzt sogar wieder bei F3F-Wettbewerben mitfliegen darf… In ein paar Monaten kann ich hoffentlich dann mehr Konkretes über „Holz am Hang“ ;) berichten.

Jetzt aber zu den Lauflängen ...

Bei der Entwicklung des aktuellen Straks JX HX war eine möglichst breitbandige Auslegung vom Abendwind-Cruisen über Frühjahrs-Thermik-Hopping bis zum Brettern, wenn es am Hang mal richtig pfeifft, das Ziel. Das alles sollte auf möglichst hohem Niveau möglich sein. Ballastiert werden soll, wenn überhaupt nur im +20%-Bereich. Klappeneinsatz unterstützend – aber nicht Voraussetzung für gute, ausgewogene Leistungen

Bei der Profiloptimierung, insbesondere wenn man sich bereits im Grenzbereich des Möglichen bewegt, gilt die „alte Optimierer-Regel“: Kein Plus ohne Minus. Im Fall des JX HX sind die „Minus“ ein paar Gleitzahlpunkte im Spitzenbereich und die letzten Speedpunkte bei sehr niedrigen ca-Werten kleiner 0,05.

Ab ca = 0,2 abwärts wird der Anstellwinkel negativ. Die Profiloberseite liegt dann zunehmend „im Wind“, die Strömung liegt dann fast bis zur Hinterkante an (ist gleich, die Lauflänge ist maximal) und erzeugt nur noch minimalen Widerstand. Die Profilunterseite, die bisher eher ein Schattendasein geführt hat, wird nun aber zunehmend dominant bezüglich des Widerstands. Wo bisher, bei positiven Anstellwinkeln die laminare Strömung auf der Unterseite bis zur Hinterkante ging, beginnt nun der Umschlag in eine turbulente Strömung sich zunehmend nach vorne zu schieben. Beim JX HX ist bei ca= 0,05 diese laminare Lauflänge berreits nur noch ca. 50%. Könnte man durch geeignete Profilgestaltung diese Lauflänge vergrößern, hätte man geringeren Widerstand und könnte fliegerisch im High-Speed noch einen Zahn zulegen. Genau dies soll mit JX HXme (der Markus Edition) erreicht werden.

Um die Zusammenhänge ein wenig zu verdeutlichen, habe ich nun beim Partikel-Schwarm-Team eine spezielle „Markus Edition“, genannt JX HXme in Auftrag gegeben, mit dem Ziel besonderes Augenmerk auf den Widerstand bei den beiden unteren Arbeitspunkten ca=0,05 und ca= -0,1 zu legen. Dafür dann die hohen ca-Werte ruhig ein wenig zu vernachlässigen.

Bei der Optimierung dient nun das JX HX als Ausgangsprofil wobei die Profiloberseite bewusst in Ruhe gelassen wird um den Einfluss der Profilunterseite deutlicher zu machen. Die Optimierung erzeugt folgendes Profil:

JX HXme Profil.png
Das Optimierungsergebnis auf Basis des Profils JX HX bei fixer Oberseite. Blau das Ausgangsprofil, rot das neue Profil, grün dünn gestrichelte den Anteil, den der „Partikel-Schwarm“ der Unterseite zugefügt oder abgezogen hat. Durch die fixe Oberseite entsteht eine „Kopplung“ zwischen Profildicke und Wölbung. Je mehr an der Unterseite aufgedickt wird, desto geringer wird die Wölbung des Profils.

Interessanter als die Betrachtung der Geometrie ist allerdings ein Blick auf die aerodynamischen Eigenschaften. Hier ergibt sich am Ende der Optimierung folgendes Bild

JX HXme Polare.png
Die Polare von JX HX und JX HXme im Vergleich. Die Verbesserungen des neuen Profils sind grün, die Verschlechterungen rot hervorgehoben. Im Diagramm links unten wird die Lauflänge auf Profilober- und Unterseite dargestellt – dabei gestrichelt die Profilunterseite.

Schon auf den ersten Blick wird das beschriebene „Geben und Nehmen“ ersichtlich. Die Verbesserungen im unteren ca-Bereich müssen durch leichte Einbußen im oberen Bereich bezahlt werden. Sehr schön erkennt man, wie die Vergrößerung der Lauflänge auf der Unterseite zu einer Widerstandsminimierung führt (die beiden grünen Kreise).

Welches Profil ist nun besser oder schlechter? Wie Markus bereits hervorgehoben hat, hängt die Bewertung vom geplanten Einsatzzweck ab, wobei in diesem Fall schon ein Profi-Flieger sein muss, um die geringen Unterschiede dieser beiden Profile überhaupt erfliegen zu können (ich würde wahrscheinlich keinen Unterschied feststellen ;-))

So weit der kleine Ausflug zu den „Lauflängen“ und einer gezielten Optimierung mit Xoptfoil.

Im Anhang sind Dateien der beiden Profile falls der ein oder andere die Unterschiede in Xflr5 oder Profili nachvollziehen möchte.

Viele Grüße

Jochen
 

Anhänge

  • JX HX 13.dat
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  • JX HXme 13.dat
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Jochen, schieb doch mal die größte Dicke deines JX HX13 von den 26% auf 30%. Du verschenkst mit den 26% laminare Lauflänge. Bei dem JX HX11 würde ich das nicht ändern.

Mir gefällt das JX HX13 schon sehr gut für den kleineren Re-Zahl Bereich und damit für kleine Modelle mit geringer Flächentiefe. Ich habe ein paar Vergleiche mit XFLR5 und meinen im Moment verwendeten Profilen gemacht und komme daher zu diesem Ergebnis.
 

Jojo26

User
JX HXme - Sorry - Diese Biester

JX HXme - Sorry - Diese Biester

... bei der Überprüfung der Ergebnisse von JX HXme in Xflr5 habe ich mit Schrecken festgestellt, dass diese Partikel-Schwarm-Biester einmal wieder jedes Schlupfloch genutzt haben um Blödsinn zu machen. In dem Fall haben sie die Lücke zwischen den Arbeitspunkten ca = 0,05 und ca = 0,2 genutzt um auf der Unterseite ein richtig schlechtes Ergebnis abzuliefern:

JX HXme Fehler.png

Sorry! - das kommt davon, wenn man mal gschwind etwas macht...

Ich werde in Bälde eine korrigierte Optimierung nachreichen, die dem Namenszusatz "me" hoffentlich gerecht wird!

Jochen
 

Tern

User
Hallo Jochen
zunächst besten Dank für die Blumen:)
Aber Du bist ja der, der hier brauchbare Profile veröffentlicht und darum gehören die Blumen Dir !

Vielleicht noch kurz zur Illustration des Dilemmas beim Profile bauen.
Habe mal ein nicht allzu schleches Allerwelt F3F Profil auf die Dicke und Wölbung des
JX HX 13 gebracht.

Hier sieht man, dass das JX bei kleinen ReZahlen (300'000) deutliche Vorteile bei kleinen Auftriebsbeiwerten hat.
Bei höheren (500'000) wird der Bereich des kleinsten Widerstandes sehr spitz.
Das ist, zumindest für F3F, nicht gut.
Der Bereich wird vermutlich nicht allzu oft getroffen.
Das Profil ist nicht sehr "tolerant".
Für F3F wäre das Allerweltsprofil vorzuziehen.


Beispiel_JXHX13.JPG


Anhaltspunkte für F3f Polaren gibt auch die Homepage von Aer-o-tec.
Der Shinto ist ein moderer F3F Flieger.
http://www.aer-o-tec.de/de/index.php/Shinto/

oder hier
http://www.jw-air.de/HIGHLANDER.htm


Gruss
Markus
 

Jojo26

User
JX HXme - Nun aber...

JX HXme - Nun aber...

Mit einem zusätzlichen Arbeitspunkt bei ca = 0,1 konnte die "Lücke" bei der Optimierung geschlossen werden. JX HXme, das auf Lauflänge auf der Profilunterseite optimiert wurde, sieht nun bei kleinen ca-Werten recht gut aus ...

JX HXme T1-500.png
Vergleich der Profile in der Typ 1 Polare

Nur das HD45 kann es noch besser - ist aber außer Konkurrenz, weil es bei höheren ca-Werten ziemlich an Boden verliert..

Ich bin zuversichtlich, dass damit Markus in der neuen F3F-Kategorie "max. Flächenbelastung 35g/dm² und nur geradeaus" die Shintos und Pitbulls nur so wegblasen würde...:cool: - ok - sein Neo könnte vielleicht grad noch mithalten ;)

Jochen

(sorry nochmal, für die vorschnellen Ergebnisse. Im Anhang nun das "richtige" JX HXme)
 
Hallo Jochen,

ich habe gerade mit größtem Interesse Deinen Tread gelesen.
Mir ist schon klar, daß es in Deinem Thread nur um die Anwendung von Xoptfoil geht und er ist ja auch schon einige Zeit nicht mehr belebt.

Ich habe in 1993 während meiner Zeit am Institut für Aerodynamik und Meßtechnik der TU-Darmstadt zu dem Thema eine Diplomarbeit initiiert
und betreut. Das Thema mit dem Titel "Anwendung eines Optimierungsalgorithmus auf den Entwurf von Tragflügelprofilen" wurde von Thomas Köhler mit einer hervorragenden Leistung bearbeitet. Seine Diplomarbeit ist im Institutsarchiv unter der Nr.503 abgelegt.
Aufgrund der erfolgversprechenden Ergebnisse habe ich selbst immer mal wieder je nach verfügbarer Zeit an dem Thema rumprobiert.
Folgende Erkenntnisse kamen dabei heraus:
1. Entscheidend für den Verlauf der Optimierung ist die Parametrisierung des Profils.
a. Ich approximiere hierzu erstmal das Seedprofil mit einer analytischen Funktion. Wenn die einzelnen Anteile dieser Funktion orthonormal sind,
d.h. die Parameter unabhängig voneinander sind, konvergiert der Optimierungsalgorithmus besonders gut.
b. Deswegen sind Hicks-Henne und NACA, wie in Xoptfoil, nicht wirklich gut geeignet.
c. Besser geeignet sind Wagner-Funktionen oder Orthonormal-Funktionen. Ich verwende in der Regel 5-7 Parameter pro Seite des Profils.
Wenn ich es richtig verstehe ist in Xoptfoil NACA auf 4 bzw. 5 limitiert.
2. Weiterhin entscheidend ist die Wahl des Optimierungsalgorithmus
a. Ein Gradientenverfahren, ist relativ schnell, bleibt aber manchmal - wie Du ja auch berichtest - in lokalen Optima stecken.
Xoptfoil nutzt hier das Simplexverfahren, mit dem ich auch sehr gute Erfahrungen gemacht habe.
b. Evolutionsalgorithmen sind dagegen sehr rechenaufwendig, finden aber unerwartete und durchaus interessante Lösungen.
c. Zu Particle Swarm Optimization habe ich leider keine Erfahrung, scheint mir aber auch in einem lokalen Optimum stecken zu bleiben.
3. Last not Least ist die Zielfunktion entscheidend.
a. "Fische", also sich kreuzende Profilkonturen, sind selbstredend zu verbieten. Ich habe in Xoptfoil dazu (noch) keine zweifelsfreie Eingabe
gefunden.
b. Die Profildicke und das cm0 sollten sinnvoll einzugrenzen sein. Xoptfoil kennt beim cm0 leider nur min_moment. Ein max_moment hab´ ich
(noch) nicht entdeckt.
c. Ich verwende auch die Typ2-Polare und "drehe" diese, so daß ich cw=f(ca) erhalte. Das Integral unter der Polare ist dann zu minimieren. Ein
Problem ist dabei immer noch die ca-Grenze. Da ist mir noch nicht gescheites Eingefallen um diese während der Optimierung dynamisch zu
erweitern. Xoptfoil hat da leider auch nichts. D.h. eine Optimierung auf maximales ca geht wohl auch in Xoptfoil nicht.
4. Die numerische Optimierung nutzt schamlos jedes Schlupfloch des Aerodynamik-Solvers aus und ist auch nur eine Näherung an das Optimium.
a. Man muß daher erkennen: Eine Optimierung im mathematischen Sinne ist es nicht - aber im ingenieurstechnischen Sinne natürlich schon.
b. Das Ergebnis ist eine Lösung des Solvers und nicht der Realität - wenngleich je nach Güte des Solvers das Ergebnis schon sehr brauchbar ist.

So nun zu meinen Erfahrungen mit Profiloptimierung:
A. Das funktioniert schon recht ordentlich. Besonders dann, wenn man sich mit Druckverteilungen, Grenzschicht usw. und den zum Teil
abenteuerlichen Eingaben der Solver nicht so gut auskennt. Wer die TRA-Karten vom Epplerprogramm kennt, weiß wovon ich rede. ;-)
Insbesondere mit den heutigen schnellen Rechnern geht das wirklich gut. Von Xoptfoil mit seinem Multithreading bin ich echt begeistert.
An die Stelle des aerodynamischen Fachwissens tritt notwendiges Fachwissen über Parametrisierung und Optimierungsverfahren.
B. In der Regel zeigen meine Lösungen ein hohes Rearloading. Die Transitionskurven laufen schön stetig nach vorn, springen also nicht. Die
Oberseite sieht aus wie eine neg. Parabel mit dem Scheitelpunkt im ca_max.. An die Unterseite sieht´s wie eine pos. Parabel aus, wobei Xtr recht
schnell die Endkante erreicht. Der Verlauf der Grenzschichtparameter zeigt, daß die Grenzschicht immer grad so am Umschlag bzw. an der
Ablösung entlanggeführt wird. Ich denke, das ist ein gutes Zeichen!
C. Ich stimme Dir absolut zu: Profile sollten (und können) auf den jeweiligen Verwendungszweck hin entworfen werden. 20%-30% Verbesserung
gegenüber einem Profil aus dem Katalog sind da locker drin. Wenn es darum geht ein Profil für einen besonderen Einsatzzweck zu machen, dann
sowieso.
D. Am Hang erntet man zumeist stirnrunzelnde Gesichter, wenn man auf die Frage "Der geht aber gut. Was hat der denn für ein Profil?"
"Hab´ ich mir selbst optimiert." antwortet. Der Kenner schweigt und genießt. :-)

Gruß Martin
P.S.: Es ist noch kein gutes Profil vom Himmel gefallen!
 
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