Während des letzten Jahrzehnts wurde die Entwicklung kleiner Fluggeräte für spezielle Kurzzeitmissionen, wie z.B. Such-, Rettungs- oder Überwachungsmissionen, verstärkt angestrengt. Heutige Forschung zielt auf die Entwicklung von kleinen, autonom agierenden Fluggeräten ab, die in der Größe von Vögeln oder gar Insekten liegen und die Miniature- oder Micro Air Vehicles (MAVs) genannt werden. Diese MAVs müssen zahlreichen Anforderungen, wie z.B. gute Manövrierfähigkeit und Stabilität hinsichtlich ihres Flugverhaltens, genügen. Die Entwicklung von MAVs stellt sich, aufgrund der niedrigen Fluggeschwindigkeit und der kleinen Abmaße sowie der damit verbundenen aerodynamischen Fragestellungen, als Herausforderung dar. Strömungen bei niedrigen Reynoldszahlen sind durch eine erhöhte Anfälligkeit für Ablöseerscheinungen charakterisiert, welche zu einer niedrigen aerodynamischen Effizienz des Fluggeräts führt. Obwohl eine Strömungsablösung mit einer Erhöhung des Widerstands, einer Verringerung des Auftriebs sowie Druckschwankungen verbunden ist, haben sich einige Tiere erfolgreich diesen Bedingungen angepasst. Die Schleiereule (Tyto alba) steht exemplarisch für die Anpassung einer Vogelart an die Gegebenheiten ihrer Umgebung, die vor allem durch das Flugverhalten bei niedrigen Reynoldszahlen charakterisiert ist. Wegen der Anpassungen an Flügeln und Gefieder ist die Schleiereule in der Lage einen höchst wendigen Gleitflug bei sehr niedrigen Fluggeschwindigkeiten durchzuführen und kann dadurch als Vorbild für zukünftige Entwicklungen im Bereich der MAVs dienen. Ferner emittiert der Flug der Eule deutlich weniger Lärm verglichen mit dem anderer Vogelarten. Bei der Jagd in der Dämmerung oder in der Nacht verlässt sich die Eule aufgrund nur begrenzter Sicht auf akustische Signale, um ihre Beute zu erlegen. Damit dies gelingt muss die Eule allerdings fast lautlos agieren. Jeder Vogelflügel erhält seine Form durch Federn, die mit den Skelettelementen verbunden sind, wodurch er ein hohes Maß an Flexibilität besitzt. Ferner ist die Form des Eulenflügels durch einen großen Nasenradius und eine vorderkantennahe maximale Wölbung charakterisiert. Verglichen mit Vögeln, die ein ähnliches Körpergewicht haben, besitzt die Schleiereule größere Flügel, die nahezu elliptisch geformt sind. Außerdem ist die Oberseite des Flügels mit einer samtähnlichen Oberfläche ausgestattet, während der distale Teil der Vorderkante kammartige Strukturen besitzt und die Hinterkante einer jeden Flugfeder sowie des gesamten Flügels ausgefranst ist. Diese drei strukturellen Anpassungen sind während des Fluges der Luft und damit der umgebenden Strömung ausgesetzt. Um ein vertiefendes Verständnis der Mechanismen des Schleiereulenfluges zu erhalten, werden dreidimensionale Flügelmodelle konstruiert, die auf der Geometrie von natürlichen Flügeln basieren und die einzeln mit den verschiedenen eulenspezifischen Anpassungen ausgestattet werden. Zunächst wird die gezahnte Vorderkante imitiert, wobei die dazugehörigen Messungen mit den Resultaten eines glatten Flügelmodells, welches nur die Form eines natürlichen Eulenflügels allerdings ohne weitere Anpassungen besitzt, verglichen werden. Somit soll der Einfluss der Vorderkantenstruktur getrennt von anderen Anpassungen betrachtet werden. Daraufhin werden die Flügelmodelle mit künstlichen Stoffen, die die Oberfläche eines natürlichen Eulenflügels nachbilden, ausgestattet und wie zuvor werden die Ergebnisse mit denen des Referenzflügelmodells verglichen. Zuletzt wird versucht das hochkomplexe Flugsystem des natürlichen Eulenflügels anhand von Messungen an zwei verschiedenen, in Gleitflugposition präparierten, natürlichen Eulenflügel zu verstehen. Das Strömungsfeld der verschiedenen Konfigurationen wird anhand verschiedener Techniken der Particle Image Velocimetry (PIV) analysiert. Es wird, abhängig vom zu untersuchenden Strömungsfall, Zwei- und Dreikomponenten-, sowie räumlich und zeitlich hochaufgelöste PIV durchgeführt. Da die PIV Messungen auf einige wenige Positionen in spannweitiger Richtung des Flügels limitiert sind, werden zusätzlich zeitlich aufgelöste Kraftmessungen zur Untersuchung der am Flügel einwirkenden aerodynamischen Kräfte durchgeführt.

    In the past decade, there has been an increased effort to design small aircraft for special, limited duration missions, which may include, e.g., search and rescue or surveillance tasks. The present research aims at the development of small, autonomous aircraft called miniature or micro air vehicles (MAVs) that are of the size of birds or even insects. These MAVs must meet numerous requirements such as a high level of maneuverability and stability concerning their flight behavior. The development of MAVs is challenging due to the aerodynamic problems that are caused by the usually low freestream velocity and the small size of the vehicle. The flow in this low Reynolds number regime is characterized by its high susceptibility to separation on the lifting surfaces, leading to a low aerodynamic efficiency of the flight vehicle. Still, although the flow separation is accompanied by drag increase, lift decrease and pressure fluctuations, some animals successfully operate under these conditions. The barn owl (Tyto alba) is one example of how nature has adapted a bird species to the requirements of its habitat, especially to the flight at low Reynolds numbers. Due to adaptations on its wings and plumage, the barn owl is able to perform highly-maneuverable gliding flight at very low flight velocities and therefore may serve as a role model for the future development of MAVs. Additionally, the noise emitted by the owl is low compared to other bird species. Hunting at dawn or night when sight is limited, the owl has to rely on acoustic information to localize and hunt down its prey. Therefore, the owl has to be nearly inaudible. All bird wings are formed by feathers, which are attached to the skeletal elements and thereby possess a high level of flexibility. Additionally, the geometry of the owl wing is characterized by a large nose radius and a location of maximum camber close to the leading edge. Furthermore, the wing size is large compared to birds of similar weight and its planform is shaped almost elliptical. Moreover, the surface of the upper side of the wing is equipped with a velvet-like structure whereas the distal part of the leading edge possesses a comb-like structure and the trailing edge of each remex as well as of the entire wing is fringed. These three adaptations are exposed to the flow during flight and hence interact with the surrounding flow field. To further understand the mechanisms that enable the barn owl to perform its characteristic flight, three-dimensional wing models, which were constructed based on the geometry of a natural wing, were separately equipped with several owl specific features. First, the serrated leading edge is imitated and the corresponding measurements are compared to the results found on a clean wing model, which only possesses the owl-like shape with no special features to distinguish the influence of the leading-edge structure. Second, two models are equipped with artificial textiles which are selected based on their ability to mimic the natural structure. Again, the results are compared to the clean reference model. Third, a first attempt to understand the highly complex flight system of the natural wing is made by the measurement of two natural owl wings which are prepared in a position which resembles gliding flight. The flow fields of the various configurations are analyzed using different forms of particle image velocimetry (PIV), i.e., two- and three component as well as high spatial resolution and high-speed PIV are performed depending on the investigated flow case. Since the PIV measurements are limited to few spanwise planes, time-resolved force measurements are additionally performed to investigate the aerodynamic forces acting on the full wing.


    Zugriff

    Zugriff über TIB

    Verfügbarkeit in meiner Bibliothek prüfen

    Bestellung bei Subito €


    Exportieren, teilen und zitieren



    Titel :

    Experimental Investigation of the Aerodynamics of Owl Wings


    Weitere Titelangaben:

    Experimentelle Untersuchung zur Aerodynamik von Flügeln der Schleiereule


    Beteiligte:
    Winzen, Andrea (Autor:in)


    Erscheinungsdatum :

    2014


    Format / Umfang :

    178 Seiten, Bilder, Tabellen, 138 Quellen




    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch





    Computational and Experimental Investigation of the Aerodynamics of Unconventional W Wings

    Musaj, M. / Prince, S. / Cheung, C.-W. et al. | British Library Conference Proceedings | 2008


    AN EXPERIMENTAL-COMPUTATIONAL INVESTIGATION OF THE AERODYNAMICS OF DAMAGED UAV WINGS

    Lebeau, Raymond P. / Gururajan, Srikanth / Lensing, Troy et al. | TIBKAT | 2020


    Computational and Experimental Investigation of the Aerodynamics of Unconventional W Wings

    Musaj, Mimoza / Prince, Simon / Cheung, Chak-Wah | AIAA | 2008


    An Experimental-Computational Investigation of the Aerodynamics of Damaged UAV Wings

    LeBeau, Raymond P. / Gururajan, Srikanth / Lensing, Troy et al. | AIAA | 2020