تحليل تجربي يك پرنده بال زن آيروالاستيك و استخراج منحني هاي تعميم يافته

Experimental Analysis of a Flapping Aeroelastic Wing and Derivation of Genaralized Curves

امروزه كاربري هاي متنوع و جذابي براي بال زن ها متصور است. اين جذابيت در كاربري، بخاطر كارآيي بالاتر آن ها در سرعت هاي كم و اعداد رينولدز پايين در قياس با پرنده هاي بال ثابت مي باشد. ابعاد كوچك، سرعت كم، همراه با چابكي و قدرت مانوردهي بالا از مزيت هاي بالقوه بالزن ها محسوب مي شود كه در دهه اخير براي ماموريتهاي جستجو و نجات، عمليات هاي سنجشي، جستجوي نامحسوس و شنود در محيط هاي كوچك مورد توجه قرار گرفته اند. در كنار اين جذابيت هاي ذاتي، عملا بدلايل پيچيدگي بسيار زياد مكانيزم توليد همزمان برآ و پيشران در بالزن ها، نبود مدلهاي دقيق ديناميك پروازي و ذات غير خطي و كوپل شده حركتهاي طولي، عرضي و سمتي، فعاليت و مطالعات تجربي روي آنها، از اهميت بسزايي برخوردار است. در اين تحقيق مطالعه تجربي عملكرد يك بال زن الاستيك در حين بال زدن مورد بررسي قرار گرفته است. با طراحي و ساخت يك پرنده بالزن نمونه و ايجاد سكوي تست استاتيكي ، قابليت داده برداري كميت هاي زاويه، فركانس، نيرو، ولتاژ و جريان مصرفي فراهم شده است. همچنين تعدادي انواع سازه هاي بال به منظور بررسي اثر متغيرهاي هندسي و مشخصه هاي مكانيكي بر نيروهاي توليد شده و نيز توان مصرفي، طراحي و بكار گرفته شده اند. نتايج حاصل از آزمايشها در طيفي از مشخصات سازه اي و آيروديناميكي، گردآوري، پردازش و به منظور استخراج الگوهاي ديناميكي بكار گرفته شده است. بطور ويژه اثرات پارامترهاي سختي، جرم و نسبت منظري در بال زدن از طريق آناليز ابعادي و بر پايه گروههاي بدون بعد بررسي شده و منحني هاي جديدي استخراج شده است. بعلاوه شيوه اي نوين در بهينه سازي بال از جنبه سازه اي، براي دستيابي به بيشترين راندمان پيشران، ارايه گرديده است. منحني هاي تعميم يافته حاصل از اين مطالعه، وابستگي كارايي بال زدن را به دو پارامتر مستقل فركانس بي بعد شده و ضريب آيروالاستيك نشان مي دهند. دستاوردهاي اين فعاليت مي تواند بعنوان گراف هاي طراحي در انتخاب صحيح پارامترهاي هندسي، جرم و مشخصه الاستيك بال، در پرنده هاي بالزن و ساير سازه هاي الاستيك مولد نيرو، بكار گرفته شوند.

There are many potentially attractive applications for flapping Micro air vehicles (FMAV) . FMAV have much better performance in low speeds and Reynolds numbers compared to that of fixed wings or MAV. In line with their special advantages of small size, low velocity, high agility and maneuverability, micro or small ornithopters are being potentially considered for applications in rescue missions, remote sensing and spy and reconnaissance operations in small/closed environment. Experimental studies of flapping phenomena are of great importance due to some fundamental challenges faced with theoretical modeling of FMAV. These include complexity in simultaneous modeling of lift and propulsive mechanism, lack of accurate flight dynamic models and a high degree of coupling and nonlinearity of the FMAV dynamic modes. In this research, an elastic flapping wing has been experimentally investigated. The FMAV as well as an instrumented test stand for online measurements of forces, flapping angle and power consumption have been designed and built specifically for this investigation. Moreover, various types of wings having different torsional stiffness, mass and size have been manufactured in order to study the effects of changing both kinematic parameters and mechanical properties of wing, on produced forces and also consumed power. The test results have been achieved for a variety of aerodynamic and mechanical characteristics. A set of new generalized curves have been introduced via dimensional analysis, in which essential parameters of wing such as stiffness, mass, area, frequency and velocity, are grouped together. A new optimization scheme has been introduced based on these general curves, addressing best wing for maximum propulsive efficiency. Flapping performance is shown to be a function of two independent parameters, namely the reduced frequency and the Aeroelastic coefficient. The trends and the generalized curves can be widely utilized in the design of FMAV or other elastic lift-propulsion generating structures.