Die Flugphysik von Fledermäusen, Vögeln und Insekten enthält einige der anspruchsvollsten Problemstellungen der modernen Luftfahrtforschung: massive, instationäre, dreidimensionaleAblösungen,wandernde Transition mit laminaren Ablöseblasen in Grenzschichten, instationäre, atmosphärische Anströmbedingungen, Aeroelastik und Anisotropie der Flügelstruktur sowie adaptive, nichtlineare Flugregelung sind dabei nur einige Beispiele. Diese Arbeit, die im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1207 Strömungsbeeinflussung in der Natur und Technik angefertigte Dissertation widmet sich der Aerodynamik des Schlagflugs. Ziel ist es, einen weiteren Mosaikbaustein der Brücke zwischen numerischen und experimentellen Methoden der Strömungsmechanik bereitzustellen, die beide in den letzten Jahren und Jahrzehnten eine deutliche Weiterentwicklung erfahren haben. Ausgangspunkt hierbei bilden hochwertige Simulationen der instationären REYNOLDS- gemittelten NAVIER-STOKES (URANS) Gleichungen gekoppelt mit der linearen Stabilitätstheorie zur Transitionsvorhersage. Diese werden mit aufwendigen, stereoskopischen Particle Image Velocimetry Messungen validiert, die durch eine neue Methode der Fehlerabschätzung abgesichert sind. Unter Verwendung eines neu entwickelten, vogelähnlichen Profils wird sowohl ein zweidimensionaler als auch ein dreidimensionaler Testfall einer Schlagbewegung bestehend aus Hub-, Nick- und Rollbewegung untersucht. Es soll hierbei erforscht werden, inwiefern URANS-Löser geeignet sind, um den Schlagflug von Vögeln im transitionellen Bereich richtig zu simulieren. Im Ergebnis der Studien liegt ein numerisches Werkzeug vor, das die Aerodynamik reibungsbehafteter Strömungen beim Schlagflug gut vorhersagt und zur Erstellung umfangreicher Parameterstudien genutzt werden kann. Augenmerk liegt insbesondere auf der Berechnung des Vortriebswirkungsgrads, der beispielsweise bei der Auslegung künftiger Mikroflugzeuge Anwendung findet. Mithin haben erste Simulationen die Vorwärtsgleitbewegung des Vogelflügels bei der Abschlagbewegung als effektive Technik zur Wirkungsgradsteigerung identifiziert.

    Flight physics of bats, birds and insects intersect with some of themost challenging problems inmodern aerospace engineering: unsteady three-dimensional separation, moving transition with laminar separation bubbles in boundary layers, unsteady flight environment, aeroelasticity and anisotropic wing structure, and nonlinear flight control are just a few examples. The present contribution is part of the Priority ProgrammeSPP1207 Nature Inspired Fluid Mechanics funded by the German Research Foundation (DFG) and focuses on the aerodynamics of flapping flight. Building on recent progress in aerodynamics, this study aims to enrich the relationship between numerical and experimental methods. The numerical computation approach consists of unsteady Reynoldsaveraged Navier-Stokes simulations that are coupled with linear stability analysis for transition prediction. The results are validated with wind tunnel experiments using high-resolution, phase-locked stereoscopic particle image velocimetry (PIV). For this purpose, both a two- and a three- dimensional test case of an oscillating, bird-like wing segment were investigated. The accuracy of measurement data was determined by a novel error estimation. This study provides a numerical tool that predicts the aerodynamics of viscous flows around flapping wings. The outcome of this research can be used for extensive parametric studies, which highlights the importance of determining the propulsive efficiency in the design of micro air vehicles. In this regard, the forward glidingmotion during the flapping downstroke was identified as an effectiveway to increase both thrust and efficiency.


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    Title :

    Strömungsanalyse an einem zwei- und dreidimensional schlagenden Flügelsegment


    Contributors:


    Publication date :

    2010


    Size :

    112 Seiten, Bilder, Tabellen, 144 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German




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