مطالعه عددی عملکرد آیرودینامیکی یک بال ریز پرنده دارای ساختار هندسی گسسته با قابلیت مورفینگ

کریمیان علی ابادی, سعید; سادات, سید مصطفی

مطالعه عددی عملکرد آیرودینامیکی یک بال ریز پرنده دارای ساختار هندسی گسسته با قابلیت مورفینگ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشگاه تربیت مدرس دانشکده مهندسی مکانیک

² دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

در طبیعت وجود مورفینگ در بال پرندگان کلید پرواز بهینه و اجرای مانورهای دشوار می‌باشد. یک روش مورفینگ، تغییر شکل در بال و دم پرنده از طریق پرها می‌باشد که عمدتاً به‌منظور تغییر مسیر اجرا می‌شود. در این پژوهش عملکرد یک بال مشابه پرندگان که به‌جای پرها نوارهای گسسته در آن تعبیه شده است، با روش عددی مطالعه شده است. این ساختار که بال با هندسه گسسته نام دارد، می‌تواند با چرخش نوارها حول مفصل، زاویه سوییپ انتهای بال و سطح بال را تغییر داده و عمل مورفینگ را به‌خوبی اجرا نماید. در اینجا نشان داده شده که این ساز و کار ساده می‌تواند در بهبود عملکرد آیرودینامیکی و نیز در ارایه توان کنترلی برای مانورهای طولی و عرضی کارآمد باشد. ابتدا هندسه مبنا و شیوه حل عددی مناسب انتخاب شده و نتایج اولیه با داده‌های مرجع اعتبار سنجی شده است. در ادامه با رویکرد مورفینگ، مطالعه پارامتری حول متغیرهای زاویه حمله و زاویه سوییپ انجام شده است. کمیت‌های عملکردی شامل ضرایب نیرو و راندمان آیرودینامیکی است. وجود مورفینگ امکان بهبود راندمان به میزان 13 درصد را فراهم ساخته است. شبیه‌سازی جریان حول بال گسسته در زوایای مورفینگ متنوع و برای 2 زاویه حمله به‌صورت پایا و ناپایا ارایه و مقایسه شده است. بر مبنای نتایج این پژوهش می‌توان در گام بعدی قابلیت کنترل پرنده در مانورهای طولی و عرضی را بر اساس ساز و کار ساده مورفینگ پیشنهاد شده بررسی نمود.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.23223278.1400.10.1.8.3

عنوان مقاله [English]

The numerical Study of Aerodynamic Performance of a UAV Discrete Wing with the Morphing Capability

نویسندگان [English]

saeed karimian aliabadi ¹
Seyed Mostafa Sadat ²

¹ tarbiat modares university, faculty of mechanics

² Tarbiat Modares university

چکیده [English]

In this research the aerodynamic performance of a discrete wing capable of morphing, has been studied based on the numerical techniques. In the proposed wing the chord-wise strips have been implemented to resemble a bird wing’s feathers. The morphing mechanism composed of changing the wrist angle which is equal to the partially sweep angle and the wing planform area. Here it is shown that by utilizing this proposed simple mechanism, the MAV/UAV could enhance its aerodynamic performance and also produce control power in the longitudinal and lateral maneuvers. Firstly, the benchmark geometry and a suitable numerical scheme are introduced. The results are then compared and validated against the reference available data. Consequently, the parametric study is performed by selecting the morphing wing tip sweep angle and the angle of attack as the variables and the force coefficients and efficiency as the performance indices. This kind of morphing could make the efficiency increase, up to 13 percent. Flow simulations around the wing are depicted for various morphing angles and for two angles of attack, both in the steady and unsteady manner. The results are also compared and analyzed. Based on the current research, one may continue to estimate the control forces produced by this simple mechanism to expedite the longitudinal and lateral maneuvers in a specified MAV.

کلیدواژه‌ها [English]

Morphing
Discrete Wing
Force Coefficients
Aerodynamic Efficiency
Numerical Solution

مراجع

Gholizadeh, S., Mansoori, M., and Aghileh, A. “Use of Memory Alloys in Aircraft Wing Design”, Mechanical Engineering, No. 104, 2016. (In Persian)##
Mahdavi, A., Karimi, M. H., Salehi, H., and Vaziri, M.A. “The Effect of Aircraft Wing Morphing Technology on Aerodynamic Performance with a View to Multi-Element Deformable Airfoils”, Proc. Int. 13th Conf. Aerospace. Tehran. IRAN, 2014. (In Persian)##
Hui, Z., Zhang, Y., and Cheng, G. “Aerodynamic Performance Investigation on a Morphing Unmanned Aerial Vehicle with Bio-Inspired Discrete Wing Structures”, Aerosp. Sci. Technol, Vol. 95, p.105419, 2019.##
Chang, E., Matloff, L.Y., Stowers, A. K., and Lentink, D. “Soft Biohybrid Morphing Wings with Feathers Underactuated by Wrist and Finger Motion”, Sci. Robot, Vol. 5, No. 38, 2020.##
Harvey, C., Baliga, V.B., Lavoie, P., and Altshuler, D.L. “Wing Morphing Allows Gulls to Modulate Static Pitch Stability During Gliding”, J. R. Soc. Interface, Vol. 16, No. 150, 2019.##
Di Luca, M., Mintchev, S., Heitz, G., Noca, F., and Floreano, D. “Bioinspired Morphing Wings for Extended Flight Envelope and Roll Control Of Small Drones”, Interface Focus, Vol. 7, No. 1, 2017.##
Ajanic, E., Feroskhan, M., Mintchev, S., Noca, F., and Floreano, D. “Bio-Inspired Synergistic Wing and Tail Morphing Extends Flight Capabilities of Drones”, Flu-Dyn, 2020.##
Matloff, L. “How Flight Feathers Stick Together to form a Continuous Morphing Wing”, Science. Vol. 367, No. 6475, pp. 293, 2020.##
Matloff, L. Y., Chang, E., Stowers, K. A., and Lentink, D. “Designing Feathered Morphing Wings for Biohybrid Aerial Robots”, Sci Robot. 5, No. 1246, 2020.##
Wissa, A., Han A.K., and Cutkosky M.R. “Wings of a Feather Stick Together: Morphing Wings with Barbule-Inspired Latching”, Int. Conf. Living Machines. Vol. 9222, pp. 123–134, 2015.##
Chin, D.D., Matloff, L.Y., Stowers, A.K., Tucci, E.R., and Lentink, D. “Inspiration for Wing Design: How Forelimb Specialization Enables Active Flight In Modern Vertebrates”, J. R. Soc.## Interface, Vol. 14, No. 131, 2017.##
Lau, G. K. “A Stunt Flying Hawk-Inspired Drone”, Robot, Vol. 5, No. 8379, 2020.##
Anderson, J. D. “Fundamentals of Aerodynamics”, McGraw Hill, Maryland, United States, 1992.##
Breitsamter, C. “Aerodynamic Efficiency of High Maneuverable Aircraft Applying Adaptive Wing Trailing Edge Section”, Int. Congress of Aeronautical Science, ICAS 2004.##