Projekt: kissSlope; 3D Konstruktion in blender, CAM, und mehr

[alexrc]

Ich wollte mich heute mal Punkt 1 widmen (bevor's gleich zum Fliegen geht - man muß das schöne Wetter ja nutzen).
Der tollen Diskussion der einzelnen Profile im Aerodesign Profilkatalog und weiteren Darstellungen entnehme ich bubble ramp profile im vgl. zu z.B. RG15 (hab ich das richtig verstanden?):

• bubble ramp Profile gehen 'vorsichtig' mit der Grenzschicht um, erzeugen einen frühen Umschlag von laminar in turbulent; die turbulente Grenzschicht liegt länger/stabiler an und vermeiden dadurch 'große' Ablöseblasen
• RG15 etc. haben (wenns gut läuft) eine große laminare Lauflänge, dann einen geringen Widerstand. Wenns 'dumm' läuft frühe Ablösung mit großen Blasen und erheblich Widerstand

Ich wollte mir das mal anschauen, anhand des Ur-Bubble ramp Profils SD7003 im vgl. zu RG15 und dazu noch das AG25 bei Re 80k:
alpha=8° (Cl ca. 1)

und 4°

RG15 hat (zumindest bei höheren Anstellwinkeln) eine ausgeprägtere Saugspitze.
Die Xtr werte (also transition laminar-turbulent) bei 4° könnten die o.g. Behauptung stützen: beim SD7003 liegt der bei 0.51 im vgl. zu (RG15) 0.71.
Ist es das was gemeint ist?

Bei hohen Auftriebswerten/Anstellwinkeln siehts aber anders aus....

 

[alexrc]

Hier noch bei für Schnellflug eher interessante Cl ca. 0.4 (SD7003=1.5°, RG-15= 2°) und Cl ca. 0.2 (0.5°, 1°)

Irgendwie werd ich daraus nicht schlau....

 

[alexrc]

Ein bischen mehr 'Aufklärung'; ich ertrage es nicht wenn ich's nicht verstehe ;-)
Also, schon richtig die bubble ramp profile erzeugen einen frühen Übergang laminar -> turbulent !in der Grenzschicht!. Da diese dann mit Energeie angereichert ist folgt sie länger der Geometrie (s. Effekt von Turbulatoren, Zackenband etc.).
Profile mit langer laminarer Grenzschicht sind zwar efiizienter, solange Re hoch genug ist; wenn aber Ablösung (bei kleineren Re) auftrit bildet sich eine große Ablöseblase, was die Effizienz und ggf. den Lift zunichte macht.
Sehr schön erklärt hier:

Aus diesem video.
In XFLR5 ist mir nicht gelungen den Unterschied zu visualisieren; ich bin mir auch ehrlich gesagt nicht ganz sicher ob das unterliegende Grenzschichtmodell sowas überhaupt hergibt. Falls jemand da Erfahrung hat, bitte mal Bescheid sagen.
Danke!

 

[alexrc]

Erster Vergleich AGxx ggü den üblichen Verdächtigen für den höchsten ResrtCl Wert (124k) - für die niedrigeren erwarte ich die Effekte noch stärker:

Ziemlich eindeutig - oder?
Mit einer erwarteten 'normalen' Geschwindigkeit von 15 - 25 m/s liegen wir für die beiden Gewichte bei Cl 0.3 -0.1 (900g) und 0.4 - 0.15 (1300g).

Also ich würde sagen wir sind mit AGxx ganz gut bedient!
Hier gibts übrigends eine gute Übersicht über Mark Drela's Profile.
Die Beschreibung

G12 à AG13 à AG14	Composite HLGs, roughly equal emphasis on float and run;	XP3 (polyhedral version)
AG16 à AG17 à AG18 à AG19	Composite HLGs, emphasis on float; Composite light 2M poly gliders	Photon, Watson-Sidewinder; Composite Allegro
AG25 à AG26 à AG27	Composite heavier 2M poly gliders

hat mich natürlich verleitet auch mal AG16-19 und 12-13 anzusehen: schlechter (bei ResqrtCl 124k).
Bilder folgen noch.

 

[swiftsoarer]

Hallo Alex,
da die meisten buble ramp profile mit xfoil desigend wurden nehme ich an, dass xfoil das schon hergibt.

(PDF) Low Reynolds Number Airfoil Design Lecture Notes

PDF | An approach to low Reynolds number airfoil design is described, and several example design cases are presented and discussed. The overall approach... | Find, read and cite all the research you need on ResearchGate

www.researchgate.net

Das ist eine der Basis Veröffentlichungen zum Thema. Ich hab sie schon 50mal gelesen und werde das wohl auch noch 50 Mal tun bis ich sie verstehe ;-)
Schöne Grüße,
Johannes

 

[alexrc]

Cool, danke!
Noch was zum studieren ;-). Man muß halt die Grenzschicht 'auflösen' können. Turbulenz richtig simulieren ist sicher sehr anspruchvoll (soweit ich mich erinnere). Gerechnet wird ja immer viel, aber daß das dann ggf. wenig mit der Realität zu tun hat weiß ich aus leidvoller Erfahrung; von daher gut zu wissen daß es da vernünftige Validierungsstudien gibt!

 

[alexrc]

Jetzt wirds interessant:
Bei den Profilen für die Wurzel (ResqrtCl=124k) ist die Serie AG25-27 nicht zu schlagen. Mich hat erstaunt wie nahe die sich liegen, bis mir klar wurde daß die von 25 -> 27 ja dünner werden (von7.58 -> 6.11%), man also aus Struktur-Gründen nicht einfach AG27 für alles nehmen kann / sollte.

Spannend wirds bei der Profilwahl für niedrige ResqrtCl (39k für den schweren Fall):

Das 'vorgesehene' AG27 bietet zwar mehr C_L max, ist aber im schnell- bis mittel-Geschwindigkeitsbereich doch ein ganzes Stück ineffizienter im Vergleich zu AG19 - aus der Serie für mehr 'float' - und AG14 - etwas mehr Fokus auf 'run' - was man den Kurven auch entnehmen kann.
In diesem Sinne würde ich sagen das AG27 ist noch mehr auf 'float' ausgelegt.

Würde mann dann für einen nicht auf max float ausgerichtetes Modell (der soll ja vorwärts gehen) dann nicht eher außen das AG14 nehmen? (Die Kurven schneiden sich bei Cl ca. 0.7 also wenns langsamer als 11m/s wird)?

Interessant auch, daß der AG12 - das Pendant zum AG27 für die höhere Re Zahl dem 27 deutlich unterlegen ist.

Punkt 5 auf meiner Liste: alpha_minimalSinkRate<alpha_max erfüllen alle; der AG14 paßt aber von der Lage des Minimums besser zum AG25.

Und eine letze Frage (Punkt 6 auf meiner Liste): eigentlich sollte alpha_max an der Flügelspitze ja größer sein, so daß Ablösung zuerst innen auftritt. Das erfüllt keines der Profile. Würde man da mit aerodynamischer Verwindung arbeiten?
Den AG27 müßte man ca. 1°, den AG14 um 1.5° 'negativ' pitchen

 

[mipme_kampfkoloss]

Vergiss nicht, dass du außen auch bei hohen Anstellwinkeln weniger Ca brauchst als innen.
Also wenn du (hypothetisch) ein durchgehendes Profil nimmst und die Fläche gleich tief bleibt, reißt die Strömung immer innen als erstes ab.
Dort ist der "Wingload" ja auch viel höher.

Nach dem du ja im XFLR5 rechnest: wenn du einen Flügel berechnest und dir den Log-output ansiehst, dann wird dort der exakte Verlauf des Abrisses ausgegeben. Wenn der von der Position passt - also beim Leitwerkler - irgendwo innerhalb der Mitte und dann nach eher innen laufend, dann brauchst du dir kaum Sorgen machen.

 

[swiftsoarer]

Nach dem du ja im XFLR5 rechnest: wenn du einen Flügel berechnest und dir den Log-output ansiehst, dann wird dort der exakte Verlauf des Abrisses ausgegeben.

Hallo, eine Frage: Gibt es dafür eine Quelle die das verifiziert? Ich kenne das Verfahren, hab es selber schon Mal vorgeschlagen, aber auch meine Quelle damals (irgend ein thread aus dem rcg) hat das sehr unter Vorbehalt vorgeschlagen.
Mittlerweile finde ich es viel interessanter die Auftriebsverteilung im Kreisflug zu betrachten. Wen interessiert schon der Abriss im horizontalen Flug? Viel ekliger ist ein Abriss beim kreisen, einkreisen etc.
Schöne Grüße,
Johannes

 

[mipme_kampfkoloss]

Hi Johannes,

hm, well eine Quelle hab ich jetzt adhoc nicht dafür gefunden obwohl ich mir einbilde das irgendwo in den Tutorials gehört/gesehen zu haben.
Wenn man sich den Log Output genau ansieht, erscheint es mir aus der Formulierung und den Polaren zumindest logisch und wohl auch im Rahmen der Methodik korrekt. Da steht ja dann z.B.:

Span pos =      0.17 m,  Re = 88261,  Cl =   0.55 could not be interpolated

Das übersetze ich so: Also an Stelle x herrscht zum Winkel alpha eine Geschwindigkeit von Re. Dafür konnte keine Position mit einem Auftrieb von min. X berechnet werden.

Kreisflug ist sicher die interessantere Variante. Leider hab ich noch keine Methodik / Tool zum simulieren dafür gefunden bzw. probiert.
AVL soll ja nach hören/sagen recht gut sein. Was hast du für Erfahrungen dazu?

 

[swiftsoarer]

Hallo,
logisch und schlüssig erscheint mir die Methodik über den Log auch, aber das muss nix heissen.
Das mit dem Kurvenflug geht mit AVL ganz gut. Ich bin normalerweise nicht der PC Freak konnte mir aber die Bedienung mit Hilfe der YouTube Videos von Benjamin Kelm zügig aneignen.
Besonders bemerkenswert finde ich, dass eines der herausragendsten Designs, die Supra von Drela, mit AVL und xfoil desigend wurden.
Eine ganz andere Nummer ist die Theorie hinter der Flug-Dynamik, hierzu lese ich sehr gerne im Quabeck Design Buch.

Schöne Grüße,
Johannes

 

[alexrc]

Vergiss nicht, dass du außen auch bei hohen Anstellwinkeln weniger Ca brauchst als innen.
Also wenn du (hypothetisch) ein durchgehendes Profil nimmst und die Fläche gleich tief bleibt, reißt die Strömung immer innen als erstes ab.
Dort ist der "Wingload" ja auch viel höher.

Nach dem du ja im XFLR5 rechnest: wenn du einen Flügel berechnest und dir den Log-output ansiehst, dann wird dort der exakte Verlauf des Abrisses ausgegeben. Wenn der von der Position passt - also beim Leitwerkler - irgendwo innerhalb der Mitte und dann nach eher innen laufend, dann brauchst du dir kaum Sorgen machen.

Das verstehe ich ehrlich gesagt nicht. Das Modell hat ein Gewicht, und das wird durch die Fläche getragen (in meinem Verständnis).
Wenn ich eine gleich bleibende chordlength (ch) habe und den Rumpfeffekt vernachlässige - wieso sollte dann in der Mitte zuerst ein Abriss stattfinden?
(abgesehen daß konstante Ch bzgl induziertem Widerstand ganz schlecht wäre, daher ziele ich ja auf elliptischen Ch und damit Zirkulationsverlauf ab).


Hab ich einen Denkfehler?

Nachtrag:
also nach meinem Verständnis ist es nicht so daß man außen weniger Cl (eigentlich \gamma - Zirkulation) braucht, sondern haben will (wg. Wirbelschleppenerzeugung). Um einen geeigneten Zirkulationsverlauf zu erhalten (Wirbelschleppe und dadurch induzierter Widerstand wird von der Ableitung der Zirkulation bestimmt - deshalb ist elliptischer \gamma Verlauf optimal) muß man die Zirkulation zur Flügelspitze auf 0 führen. Dies führt aber (kleinere Ch) wieder zu kleinen Re und damit zu früherem Abriss...

Nachtrag2:
Was klar ist (danke für den Hinweis mit dem LOG): Ich will immer gerne alles verstehen; am Ende interessiert aber doch die tatsächliche Ablöseregion (egal wie das zu Stande kommt) und die gibt XFLR5 offensichtlich an - dazu muß ich halt den Flügel 3D rechnen. Bisher schaue ich ja erst mal auf 2D bzw. optimale 3D Flügel (unendliche Streckung).
Ich dachte so schon mal eine Profil-vorauswahl zu treffen.

 

[alexrc]

Noch eine Frage: XFLR5's sideslip ist nicht wirklich Kurvenflug oder? Die Geschwindigkeit der Flügelspitzen ist gleich, nur dei Anströmrichtung des Windes ist verdreht...

 

[swiftsoarer]

Hallo,
Sidelsip ist Schiebeflug. Kurvenflug ist die Vorgabe eines Querneigungswinkels,oder Beta, oder Bank Angle. Xflr5 kann das nicht, hab ich bei xflr5 Programmiere schon Mal angefragt. Im AVL gibst du den Winkel vor und das Programm trimmt z.B. die Ruder so dass alle Momente null werden.
Wirklich 3D rechnet xflr5 nicht. 3D Effekte z.B. am Randbogen kann das Programm nicht berechnen und da wird der Haken bei der Berechnung des Arisses hängen. Mehr wie eine grobe Schätzung wird das nicht, aber was besseres werden wir nicht bekommen. Und ich habe die Hoffnung, dass wenigstens qualitative Vergleiche verschiedener Designs so leidlich stimmen werden.
Zur Auftriebsverteilung allgemein: Durch den Flügelgrundriss werden Anstellwinkel an bestimmten Flügelstationen induziert (Alpha ind.) Bei überelliptischem Grundriss verringert sich der tatsächliche Anstellwinkel bei unterellipischem vergrößert er sich.
Das sieht man im xflr5 sehr schön.
Man kann also nicht pauschal sagen, wo der Flügel sein ca. max brauchen wird.
Aus Gründen des Abrisses ist eine elliptische Flügelform nicht erstrebenswert, das steht auf aerodesign irgendwo.
Sehr lesenswert sind die Posts von Mark Drela (alias: markdrela) im rcg. Gute Suchbegriffe sind: Bank Angle, lift distribution, so in die Richtung. Ich hab mir das alles Mal ausgedruckt um nicht immer neu suchen zu müssen.
Schöne Grüße,
Johannes

 

[alexrc]

Hallo Johannes,
danke für die Informationen.

wirklich 3d Rechnet XFLR5 nicht - 3D Effekte z.B. am Randbogen kann das Programm nicht berechnen

Bist Du sicher? Also XFLR5 scheint das soweit ich sehe nicht anders als AVL zu machen, also die üblichen 'Verdächtigen' viele horseshoe vortices oder wake panels. André schreibt im manual (s.22) was von wake relaxation und aufrollen (wie üblich) des Wakes.
Das würde ich 3D nennen, und erwarten daß die induzierten Effekte (entsprechend der üblichen Genauigkeiten) berücksichtigt werden.
Klar, ganz exakt wird das nicht, gerade dort wo's interessant wird (ich hatte mal einen eigenen panel code mit particle vortex wake, weil das untersuchte Gerät ähnlich einem Helikopter auch noch im eigenen wake gerührt hat - extrem häßlich mit den ganzen Punkt-Singularitäten).

Btw. AVL habe ich mal durch-kompiliert (habe Linux da gibts kein binary). Hattest Du die Video Serie von Benjamin Kelm
durchgearbeitet, oder andere?

Durch den Flügelgrundriss werden Anstellwinkel an bestimmten Flügelstationen induziert (Alpha ind.)

Ja klar, genau so wie Du schreibst, nämlich proportional zur Änderung der Zirkulationssteigung wird Zirkulation/Energie in den wake abgegeben, das verändert das Strömungsfeld. (Ein 3D effekt, dazu muß man den wake auflösen). Und deshlab ist ein elliptischer Zirkulationsverlauf auch der Effizienteste (weil er dies minimiert).
Ich hatte auf meiner Seite ein schönes Paper von Eppler zu den induzierten Effekten verlinkt (hatte ich in einem früheren Leben mal durchgearbeitet um den Kollegen besser erklären zu können warum ihre Winglet-Fantasien nichts bringen).

Aus Gründen des Abrisses ist eine elliptische Flügelform nicht erstrebenswert, das steht auf aerodesign irgendwo.

Das läßt sich leicht verstehen soweit ich mich erinnere: hat man elliptischen Zirkulationsverlauf durch elliptische Flügelgeometrie exakt erreicht würde das bedeuten daß der Abriß plötzlich an der gesamten Fläche statt findet (Re Effekte vernachlässigt), mit fatalen Folgen.

Durch die Reduktion von Re und alpha_max nach außen würde ich erwarten daß selbst bei elliptischer Ch der Abriss von außen nach innen wandert, was wir ja aber auch nicht haben wollen.

Eigentlich wollen wir Abriss von der Mitte her, dort ist Aber Re viel höher und die Situation viel stabiler (so mein Verständnis). D.h. man muß im Vergleich den effektiven Anstellwinkel außen verringern (durch aerodynamische Verwindung oder überelliptische Ch würde ich denken).

Jetzt sind wir tief in theoretischen Dikussionen gelandet.
Wenn ich mir jetzt überlege daß meist ein Profilstrakt hergenommen, nur etwa Re-angepaßt eingesetzt und eine nicht ganz optimal gewählte Geometrie verwendet wird (ich nehme an die meisten werden keine volle 3D Optimierung von allen größen durchführen) frage ich mich wie groß die Effekte tatsächlich sind...
was mich zu meiner Hauptfrage zurück bringt:

auch für den 900g Flieger sieht die Situation aus wie oben gezeigt: AG25, AG26 sind die Beste wahl, außen hätte AG14 im relevanten Bereich (wenn's ums vorwärts maschieren geht) eher Vorteile (wenn ich das richtig interpretiere).
Verwende ich also AG25,AG26,AG14 in diesem Fall?

Um zu entscheiden ob ich nach außen verwinde oder überelliptische Ch nehme würde ich wohl in den sauren Apfel beißen und das in AVL rechnen müssen - was denkst Du?

 

[alexrc]

Hier noch die Polaren für den 900g Flieger:


Bei diesen ResqrtCl werten könnte man an der Wurzel schon das AG26 nehmen, ich denke aber aus Gründen der Stabilität ist das AG25 trotzdem erste Wahl.

 

[swiftsoarer]

Hallo Alex,
danke für den Link, genau die Serie meinte ich. Rein von Verfahren her rechnet AVL glaube ich noch einfacher als xflr5, aber da ist mein numerischen Verständnis definitiv schon lange am Ende . Aber es kann eben Trimmzustände berechnen und die Auftriebsverteilung in dem jeweiligen Zustand. Mir hat es das ein oder andere Aha Erlebnis gebracht.
Wozu ich bis jetzt auch noch nichts gefunden habe ist folgende Frage:
Man liest, dass für geringere RE-Zahlen die Wölbung und die Dicke zurück genommen werden und die Dicken Rücklage nach vorne gehen sollen. Die Strömungsmechanik dahinter kann ich mir noch so leidlich zusammen reimen, aber gibt es nicht auch einen Kennwert den man für die RE Zahl Eignung betrachten kann? Ich hatte schon die Ausdehnung der Oberseiten Blase, bzw. die Stabilität dieser vermutet.
Da die Rechnung eines ganzen Flügels im xflr5 schon eine kleine Weile dauert macht es durchaus Sinn, die Vorauswahl der Profile über die Typ 2 Polaren zu machen.
Bis dann,
Johannes

 

[mipme_kampfkoloss]

Also wenn du über das Abrissverhalten nachdenkst, dann sind negative Verwindung und größere Ch wohl gleichwertig zu betrachten.
Beides hat seine Vor- und Nachteile. Mehr Verwindung ist jedoch gerade beim Schnellflug und Steigzahl negativ.

Wenn's um die Optimierung der Gleitzahl bzw. induzierten Widerstand geht, sehe ich beide als gleichbedeutend an.
Da spielt dann natürlich das Profil und deren Polaren mit ein. Wenn ich durch den Anstellwinkel schon beim Cd_min angelangt bin, kann ich nur noch zusätzlich das Ch reduzieren um den induzierten Widerstand zu senken. Oder man verändert die Polare, zB weniger Wölbung und erhöht dafür Ch und damit Re um Cd_min zu verbessern beim gleichen Cl.

Es gibt ein recht neues Tool, dass versucht die Flügelgeometrie zu optimieren. Vielleicht kannst du es ja mal ausprobieren: https://www.aeolus-aero.com - leider nur für Windoff und bei mir in der Virtualbox haut es mir die Grafik zusammen...

 

[alexrc]

Hallo Zusammen und frohe Weihnachten!
Also aeolus... ist dann nix für mich, ich habe nur Linux im Einzatz.

Ich habe am 23. einen ganzen Tag in Blender/python zugebracht und verschieden Routinen geschrieben, die erlauben

• Qualitätsgesteuertes re-samplen von Profildaten (die Agxx kommen mit 160 Punkte, für die Berechung in Xfoil und AVL ist das OK, für die Geometriekonstruktion in blender ist das viel zuviel und ich wollte Punkte dort entfernen wo sie das Gesamtergebnis am wenigsten beeinflussen
• Ein zweites Profil bei den Stützstellen eines ersten zu re-samplen. Dies ist nötig für:
• Morphing zwischen 2 Profilen. Also wenn wir z.B. an der Wurzel AG25 haben und dann AG24 müssen Zwischenprofile berechnet werden
• Dies erlaubt dann ein Re gerechtes Morphing. Die Re Zah über Span nimmt ja z.B. elliptisch ab bei elliptischer Ch-Verteilung. Dadurch muß auch das Morphing elliptisch erfolgen

Die Routinen lade ich ins github hoch, sobald ich sie getestet habe. Dann mache ich auch ein paar Bilder.

@mipme_kampfkoloss : danke für die infos. Klar, bzgl. Abriss kann ich entweder Ch oder alpha anpassen (in Mark Drelas AVL files für einzelne Flugzeuge habe ich tatsächlich nach außen einen negativen pitch entdeckt!).
Was ingesamt dann besser ist muß man 3D rechnen; mal sehen.

@Johannes Wiesner : Ich habe die ersten beiden Tutorial zu AVL gemacht.
Frage: hast Du Erfahrung mit vielen Sections? Wenn man nicht einfache Trapez Geometrien verwendet muß man ja einige (villeicht 20-40) sections definieren um die Geometrie näherungsweise abzubilden.
Ich würde das aus blender/python heraus automatisch erstellen, soweit kein Problem. Jedoch: wie stabil rechnet AVL sowas?

Außerdem habe ich gelernt: AVL macht 'nur' induzierten Widerstand (3D Eeffekte). Den parasitic (form) Drag muß man von Hand als quadratische Näherung (ggf. aus Xfoil) eingeben. Das gefällt mir nun wieder nicht so gut. Klar man könnte xfoil automatisch aufrufen usw, aber dann programmiert man wieder Xflr5 nach.
-> ich werde mir doch nochmal xflr5 anschauen. ggf. muß man die Profilauswahl und 3D Berechung darin machen, und dann durch eine AVL Kurvenfluganalyse, nur für Lift / Abriss abrunden? Wie machts Du das?

 

[mipme_kampfkoloss]

-> ich werde mir doch nochmal xflr5 anschauen. ggf. muß man die Profilauswahl und 3D Berechung darin machen, und dann durch eine AVL Kurvenfluganalyse, nur für Lift / Abriss abrunden? Wie machts Du das?

Die Kurvenanalyse in AVL würde mich auch interessieren. Wird zwar im 4.ten Video von Benjamin kurz gestreift, aber wie machst du da einen qualitativen Vergleich zwischen verschiedenen Entwürfen? Merci!