ارزیابی و مقایسه مدل‌های مختلف تخمین نیروی چرخشی یک‌بال‌زن در پرواز ایستا با استفاده از روش المان تیغه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

2 دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

در این پژوهش با استفاده از یک شبیه‌‌سازی شبه پایا توسط روش المان تیغه، سه مدل متفاوت نیروی چرخشی در بررسییک بال الهام گرفته‌شده از حشره میوه با حرکت ترکیبی بال‌زدن و پیچش، مورد ارزیابی و مقایسه با نتایجمنتشرشده قرار می‌گیرد. در ادامه این مدل‌ها با یکدیگر مقایسه شده و مدل با خطای نسبی کمتر معرفی می‌شود. مدل نیروی چرخشی سنتی که وابسته به سرعت انتقالی بال است، در ابتدا و انتهای نیم کورس‌‌ها هیچ نیروی چرخشی در نظر نمی‌گیرد. مدل‌های جدید نیروی چرخشی برای پیش‌‌بینی دقیق این نیرو، جزء دوم نیروی چرخشی ناشیاز پیچش خالص بال را نیز در نظر می‌گیرند. در این تحقیق ضرایب نیروی برآ و پسای لحظه‌ای و متوسط در نظریه المان تیغه، با نتایج تجربی و دینامیک سیالات عددیمنتشرشده مقایسهشده ‌‌است. هم‌چنین خطای پیش‌‌بینینقطه‌‌ حداکثر منحنی ضرایب نیروی مدل شده توسط هر کدام از مدل‌‌ها نیز مقایسهشده ‌‌است. بررسی خطایمؤثر نشان می‌‌دهد که یکی از مدل‌های بر مبنای نتایج دینامیک سیالات عددی که شامل دو جزء نیروی چرخشی مرتبط با نظریه کوتا-جاکوفسکی و نیروی ناشی از پیچش خالص است، نسبت به مدل‌‌های دیگر از دقت نسبی بالاتری برخوردار بوده و می‌‌تواند در شبیه‌‌سازی‌‌های شبه پایا مورد توجه قرار گیرد

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation and Comparison of Different Models for Estimating the Rotational Force of a Hovering Flapping Wing Using the Blade Element Method

نویسندگان [English]

  • Amir Hossein Zaree Jorshari 1
  • Mohammad Hassan Djavareshkian 2
1 Mechanical Engineering Department Ferdowsi University of Mashhad
2 Mech. Engg. Dept. Faculty of Engg. Ferdowsi University of Mashhad
چکیده [English]

In this research three different models of rotational force are evaluated in the study of a hovering fruit fly inspired wing, with combined flapping and pitching motions, using a quasi-static simulation by the blade element method, and the results achieved thereby, are compared with previously published results. Then these models are compared with each other, and the model which has the lowest relative error is introduced. The traditional rotational force model, which depends on the wing's translational velocity, does not consider any rotational force at the beginning and end of the stroke. The new rotational force models which are designed to accurately predict this force also consider a second component for this force which is due solely to wing pitching. In this research, the instantaneous and mean coefficients in the blade element method are compared with published computational fluid dynamics and experimental results. The models are compared in terms of the error in predicting the maximum point on the instantaneous force coefficients curve. The root-mean-square error analysis shows that one of the rotational force models, which includes the two force components described by the Kutta-Joukowski theorem and the force due solely to wing pitching, has higher relative accuracy than other models and can be proposed for quasi-static simulations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flapping Wing
  • Blade Elements Theory
  • Quasi-Static Forces
  • Rotational Force

مراجع

  1. Dickinson, M. H.,Lehmann, F.-O. andSane, S. P. “Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight”, Science, Vol. 284, no. 5422, pp. 1954-1960, 1999.##
  2. Phan, H. V., Truong, Q. T. and Park, H. C. “An Experimental Comparative Study of the Efficiency of Twisted and Flat Flapping Wings during Hovering Flight”,Bioinspir Biomim, Vol. 12, no. 3, p. 036009, 2017.##
  3. Mazaheri, K. and Ebrahimi, A. “Experimental Investigation of the Effect of Chordwise Flexibility on the Aerodynamics of Flapping Wings in Hovering Flight”,J. Fluids.Struct.,Vol. 26, no. 4, pp. 544-558, 2010.##
  4. Lee, Y. J., Lua, K. B., Lim,T. T. and Yeo, S. “A Quasi-Steady Aerodynamic Model for Flapping Flight with Improved Adaptability”, Bioinspir Biomim,Vol. 11, no. 3, p. 036005, 2016.##
  5. Sun, M. and Tang, J., “Unsteady Aerodynamic Force Generation by a Model Fruit Fly Wing in Flapping Motion”,J. Exp. Biol, Vol. 205, no. 1, pp. 55-70, 2002.##
  6. Bakhshaei, K., MoradiMaryamnegari, H., SalavatiDezfouli, S., Khoshnood, A. M.and Fathali, M. “Multi-physics Simulation of an Insect with Flapping Wings”,Proc. Inst. Mech. Eng. G. J. Aerosp. Eng., p. 0954410020972581, 2020.##
  7. Ellington, C. P. “The Aerodynamics of Hovering Insect Flight. I. TheQuasi-Steady Analysis”,Philos. Trans. R. Soc. B, Vol. 305, no. 1122, pp. 1-15, 1984.##
  8. Sane, S. P. and Dickinson, M. H. “The Aerodynamic Effects of Wing Rotation and a Revised Quasi-Steady Model of Flapping Flight”,J. Exp. Biol,Vol. 205, no. 8, pp. 1087-1096, 2002.##
  9. Truong, Q. T., Nguyen, Q. V., Truong, V. T., Park, H. C., Byun, D. Y. and Goo, N. S. “A Modified Blade Element Theory for Estimation of Forces Generated by a Beetle-Mimicking Flapping Wing System, Bioinspir Biomim, Vol. 6, no. 3, p. 036008 2011.##
  10. Wang Q., Goosen J. and van Keulen, F.“A Predictive Quasi-Steady Model of Aerodynamic Loads on Flapping Wings”,J. Fluid Mech., Vol. 800, pp. 688-719, 2016.##
  11. Sane, S. P. “The Aerodynamics of Insect Flight”,J. Exp. Biol, Vol. 206, no. 23, pp. 4191-4208, 2003.##
  12. Phan, H. V. and Park, H. C. “Insect-inspired, Tailless, Hover-Capable Flapping-Wing Robots: Recent Progress, Challenges, and Future Directions”,Prog. Aerosp. Sci., p. 100573, 2019.##
  13. Kramer, V. M.“Die Zunahme des Maximalauftriebes von Tragflugeln bei Plotzlicher Anstellwinkelvergrosserung (boeneffekt)”, Z. Flugtech. Motorluftschiff, Vol. 23, pp. 185-189, 1932.##
  14. Shyy, W., Aono, H., Kang, C.-k. and Liu, H. “An Introduction to Flapping Wing Aerodynamics”, Cambridge University Press,New York, United States, 2013.##
  15. Ansari, S., Żbikowski, R. and Knowles, K. “Aerodynamic Modelling of Insect-Like Flapping Flight for Micro Air Vehicles”,Prog. Aerosp. Sci., Vol. 42, no. 2, pp. 129-172, 2006.##
  16. Ellington, C. P. “The Aerodynamics of Hovering Insect Flight. IV. Aerodynamic Mechanisms”,Philos. Trans. R. Soc. B, Vol. 305, no. 1122, pp. 79-113, 1984.##
  17. Whitney, J. P. and Wood, R. J. “Aeromechanics of Passive Rotation in Flapping Flight”, J. Fluid Mech., Vol. 660, pp. 197-220, 2010.##
  18. Han, J. S., Kim, J. K., Chang, J. W. and Han, J. H. “An Improved Quasi-Steady Aerodynamic Model for Insect Wings that Considers Movement of the Center of Pressure”,Bioinspir Biomim, Vol. 10, no. 4, p. 046014, 2015.##
  19. Van Veen, W. G., Van Leeuwen, J. L. and Muijres, F. T. “A Chordwise Offset of the Wing-Pitch Axis Enhances Rotational Aerodynamic Forces on Insect Wings: a Numerical Study”, R. Soc. Interface, Vol. 16, no. 155, p. 20190118, 2019.##
  20. Zaree, A. H. and Javareshkian, M. H. “Investigation of Induced Velocity and Lift Sensitivity Analysis in Blade Element Theory for Simulation of Flapping Wing in Hovering Flight”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, no. 10, pp. 212-224, 2015, (in Persian).##
  21. Birch, J. M. and Dickinson, M. H. “Spanwise Flow and the Attachment of the Leading-Edge Vortex on Insect wings”, Nature, Vol. 412, no. 6848, p. 729, 2001.##
  22. Lua, K., Lee, Y., Lim, T. and Yeo, K. “Wing–Wake Interaction of Three-Dimensional Flapping Wings”,AIAA J., Vol. 55, no. 3, pp. 729-739, 2016.##
  23. Nabawy, M. R. A. and Crowther, W. J. “On the Quasi-Steady Aerodynamics of Normal Hovering Flight Part II: Model Implementation and Evaluation”,J R Soc Interface, Vol. 11, no. 94, p. 20131197, 2014.##
  24. Munk, M. M. “Note on the Air Forces on a Wing Caused by Pitching”,NACA: Technical note 191, National Advisory Committee for Aeronautics, Unites States, 1925.##
  25. Glauert, H. “The Force and Moment on an Oscillating Aerofoil”,Rep. Mem. Aeronaut. Res. Comm.,no. 1561,Great Britain, 1929.##
  26. Theodorsen, T. “General Theory of Aerodynamic Instability and the Mechanism of Flutter”, NACA, Technical Report, no. 496, pp. 413-433, 1934.##
  27. Fung, Y. C. “An introduction to the theory of aeroelasticity”, Courier Dover Publications,New York, United States, 1969.##
  28. Andersen, A., Pesavento, U. and Wang, Z. J. “Unsteady Aerodynamics of Fluttering and Tumbling Plates”,J. Fluid Mech., Vol. 541, pp. 65-90, 2005.##
  29. Nakata, T., Liu, H. and Bomphrey, R. J. “A CFD-Informed Quasi-Steady Model of Flapping-Wing Aerodynamics”,J. Fluid Mech., Vol. 783, pp. 323-343, 2015.##
  30. Bomphrey, R. J., Nakata, T., Phillips, N. and Walker, S. M. “Smart Wing Rotation and Trailing-Edge Vortices Enable High Frequency Mosquito Flight”, Nature, Vol. 544, no. 7648, pp. 92-95, 2017.##

 

 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 18 اردیبهشت 1400
  • تاریخ بازنگری: 14 خرداد 1400
  • تاریخ پذیرش: 21 تیر 1400
  • تاریخ انتشار: 08 آذر 1400

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار