Orni 3
Das Programm ermöglicht zumindest näherungsweise eine quantitative Beschreibung der Dynamik und Aerodynamik von profilierten Schlagflügeln. Vor allem der zahlenmäßige Vergleich bei Veränderungen diverser Schlagflügel-Einflussgrößen ist damit durchführbar.
Für die Berechnung werden profilierte Schlagflügel und quasistationäre Strömungsbedingungen vorausgesetzt. Die Berechnungen führen also nur beim schnellen Vorwärtsflug mit relativ kleinen Schlagfrequenzen zu brauchbaren Ergebnissen (große Vögel, Fliegen mit dem Auftrieb).
Zum zum besseren Verständnis der nachstehenden Ausführungen sollten die Webseite <http//:www.ornithopter.de>, der Inhalt des dort bereit gestellten Handbuches "
Das Rechenverfahren konnte bisher bei der Anwendung im Modellbau nur per Augenschein, aber noch nicht durch Messungen bestätigt werden. Daher ist Vorsicht geboten. Der Autor übernimmte keinerlei Gewähr für die Richtigkeit und Vollständigkeit der Berechnung und der gemachten Angaben.
- Das Programm ist mit der Software "Mathcad 13" geschrieben.
- Der Schutz des Arbeitsblattes kann mit Mathcad nach dem Speichern im xmcd-Format
- Im Normalfall sind nur die nachfolgend gelb markierten Felder zur Eingabe erforderlich.
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Inhalt
1. Datenvorschlag für das Rechenmodell
2. Berechnung der Zirkulationskennzahlen
3. Schlagflug-Rechenprogramm
4. Gleichgewichtsuche in x- und z-Richtung
5. Eingabe der Modelldaten ......................................
6. Ergebnis der Modelldaten .....................................
7. Horizontalflug
8. Bereichsberechnung
8.1 Festlegung der Bereichsvariablen .................
8.2 Ergebnis der Bereichsberechnung ................
1. Datenvorschlag für das Rechenmodell
Die vorgegebenen Beispielwerte entsprechen etwa denen eines EV-Ornithoptermodells und sind änderbar. Viele von ihnen lassen sich am Ende dieses Arbeitsblattes auch in Form einer Bereichsvariablen schrittweise variieren.
Modellmasse
Modellrestwiderstand
bezogen auf die
Flügelfläche
Spannweite
Streckung
relativer Abstand des Flügel-
umrissknicks von der Flügelwurzel,
bezogen auf die Halbspannweite
Werte 0 bis 1
relative Flügeltiefe an der
Flügel- spitze, bezogen auf die Flügelwurzeltiefe
Werte 0 bis 1
Bei rechteckigem
Umriss (yk = 1)
ist ls wirkungslos
relative Flügelmasse
bezogen auf die Modellmasse
m
der Modellmasse
relativer Flügelschwerpunkt-
abstand
bezogen auf die Halbspannweite
mittlerer Auftriebsbeiwert
Zirkulationskennzahl
(8 für elliptische
Auftriebsverteilung)
Werte
minimal zulässige
Zirkulationskennzahl
beim Aufschlag
Werte 0 .. 5
-20 = ohne
Begrenzung
maximal zulässige
Zirkulationskennzahl
beim Abschlag
Werte
10 = ohne
Begrenzung
Vorschlag für die
Flügelschlagfrequenz
(wie bei einem Vogel
mit diesem Gewicht)
gewählte Flügelschlagfrequenz
(Sie wird insbesondere durch die
Flügelkonstruktion begrenzt)
Werte 1 bis 4
(große Vögel)
Schlag-Endlagenwinkel,
gemessen von der Schlagmitte
Werte
Antriebswirkungsgrad
(für Leistungsverluste von Motor,
Getriebe, Mechanik und
Flügelverwindung)
Akku-Energie
(Zellenzahl [8] x
Zellenspannung [1.0 V] x
Ladung [2Ah*3600 = 7200 As bzw. C])
Viskosität der Luft
Luftdichte
Fallbeschleunigung
Anzahl der Rechenstützpunkte längs der Halbspannweite und
während eines Taktes
Werte etwa 10 bis 40
nur geradzahlige,
ganze Werte
Index der Variablen im
Dateneingabevektor
Werte 0 bis 12,
siehe unten
Kraftflugart-Schalter
zum Umschalten der Berechnung
zwischen Horizontal- und Steigflug
Steigflug = 1
Horizontalflug = 0
Es werden die Profildaten vom CLARK-Y (11.7) verwendet. Sie sind in einem eigenen Arbeitsblatt enthalten (siehe folgender Verweis).
Der Nullauftriebswinkel und der Auftriebsgradient der Profildaten sind auf den Rezahlbereich der
Bei hohen Genauigkeitsanforderungen ist ihre Festlegung an die gewählten Abmessungen anzupassen!
Orni 3 und die Profildatei sind im gleichen Verzeichnis zu speichern.
Andernfalls ist der Verweis zur Profildatei anzupassen.
Das Rechenprogramm funktioniert nur mit korrektem Dateiverweis.
2. Berechnung der Zirkulationskennzahlen
Nachstehende Bestimmung der Zirkulationskennzahlen basiert auf der Nullstellensuche der von Mathcad bereit gestellten Wurzelfunktion. Dabei wird zunächst mit einer geschätzten, vorgegebenen Zirkulationskennzahl die Verteilung des Auftriebsbeiwertes beschrieben und die kleinste Differenz zum c
Um bei diesem Rechenverfahren die Variation der verschiedenen Eingangsparameter im späteren Rechnungsgang berücksichtigen zu können, werden diese Eingangsparamter in Form des Vektors
Die Berechnung der Zirkulation längs der Spannweite ist im Rechnungsgang an mehreren Stellen erforderlich. Zur einfacheren Handhabung soll gelten:
Der Einfacheit halber wird in dieser Funktion ohne Einheiten gerechnet.
3. Schlagflug-Rechenprogramm
Gleit- und Kraftflug des Rechenmodells sind in der folgenden Funktion zusammengefasst.
4. Gleichgewichtsuche in x- und z-Richtung
Die Gleichgewichtsuche erfolgt durch abwechselnde Nullstellensuche der Kraftsummen in x- und in z-Richtung und zwar solange, bis gleichzeitig ein Kräftegleichgewicht in beiden Richtungen besteht. Dabei wird bei jedem Schritt mit dem Wert des Variationsparamter weiter gerechnet, der vorher in der anderen Kraftrichtung zur Nullstelle geführt hat.
- Bei der Suche nach dem Kräftegleichgewicht in
- Für das Kräftegleichgewichtsuche in
Die Startwerte der Variablen für die Nullstellensuche werden innerhalb der Funktion vorgegeben.
5. Eingabe der Modelldaten
Nur als Anhaltspunkt werden die als Bereichsvariable in Betracht kommenden Parameter von obigem Modellvorschlag an einen neuen Datenvektor
Im nächsten Schritt werden diese Werte erneut an den
Die Dateneingabe erfolgt in nachstehendem, farblich hervorgehobenen Feld. Zur leichteren Orientierung sind daneben in Textform die Bezeichnungen der Parameter mit ihren Indizes im
Die Größe der Eingabewerte wird nicht kontrolliert. Sie stehen untereinander in Beziehung und sollten nach modellbautechnischen Gesetzmäßigkeiten plausibel sein. Andernfalls ist wahrscheinlich kein Kräftegleichgewicht erreichbar.
Diese neuen Daten kommen nun beim Aufruf der Funktion für die Gleichgewichtsuche zum Einsatz.
Schließlich werden die zum Gleichgewicht führenden Werte von k
6. Ergebnis der Modelldaten
Für die Auswertung wurden 21 Ausgabeparameter ausgewählt.
Beispielwerte
0. Index der Variablen im
1. Schalter Steigflug/Horizontalflug (1/0)
2. Kraftsumme in z-Richtung
3. Kraftsumme in x-Richtung
4. Reduzierte Frequenz, Soll < 0.2
5. Flügelwurzeltiefe
6. Gleitfluggeschwindigkeit
7. Gleitzahl
8. Schwebeverlustleistung im Gleitflug
9. Zirkulationskennzahl des Aufschlags
10. Zirkulationskennzahl des Abschlags
11. Fluggeschwindigkeitsfaktor Kraft/Gleit
12. Schlagfrequenz
13. Modell-Steiggeschwindigkeit
14. Motoreingangsleistung
15. Steighöhe
16. Flugstrecke
17. Flugdauer
18. Speziefische Transportleistung
19. max. Schlagmoment
20. Verwindungskennwert
Nur wenn die Kräfte F
Bei ungeeigneter Modellkonfiguration ist ein Kräftegleichgewicht nicht möglich. In diesem Fall entfällt die Ergebnisanzeige und Mathcad meldet einen Fehler. Ein oder mehrere relevante Eingangsparamter sind dann im
Mit diesem Rechenmodell lässt sich nun sehr schön ein in Planung befindliches Ornithoptermodell in verschiedenen Zielrichtungen optimieren. Dazu wählt man beispielsweise ein bestimmtes Modellgewicht, eine bestimmte Spannweite oder einen anderen Paramter als Fixpunkt aus und versucht dann das bestmögliche Ergebnis zu erzielen. Als Zielrichtung interessieren vielleicht die
- größte Steighöhe
- höchste Steiggeschwindigkeit
- größte Flugstrecke im Horizontalflug
- geringste Antriebsleistung im Horizontalflug
- kleinste Flügelverwindung (womöglich sogar ohne Armflügelverwindung), usw.
Natürlich kommen auch Kombinatinen mehrerer Ziele in Betracht, beispielsweise die vorstehend genannten zusammen mit Gleitflugdaten.
Es werden zwar eine ganze Reihe möglicher Eingangsparamter automatisch festgelegt (c
7.
Das Flugverhalten eines Ornithopter mit Profilschlagflügeln ist ein wenig mit dem eines Motorseglers vergleichbar. Im Modellmotorflug strebt man damit hauptsächlich einen kräftigen Steigflug an und im Gleitflug eine große Gleitzahl. Man will schnell Höhe gewinnen um dann in der Termik zu Kurbeln. Aber auch die Erzielung großer Flugstrecken kann dabei eine Optimierungsrichtung sein.
Die Stärke des Schlagfluges dürfte im Streckenflug liegen. Vögel bringen es dabei zu phantastischen Leistungen. Im Flugmodellbau ist der Streckenflug aber eine eher seltene Disziplin. Hier liegen jedenfalls keine Daten vom Streckenflug motorisierter Flugmodelle vor. Um Propellermodelle mit Ornithoptern vergleichen zu können, sollten die Daten etwas über die zurückgelegte Flugstrecke (ohne Windeinfluss) pro Wattstunde und pro Kilogramm Modellmasse aussagen (speziefische Transportleistung).
Um bei Schlagflügelmodellen wenigstens theoretische Betrachtungen über den Horizontalflug anstellen zu können, bietet das Rechenmodell die Möglichkeit diesen gezielt zu untersuchen. Man kann dazu bei der automatischen Kraftgleichgewichtsuche zwischen Steigflug und Horizontalflugberechnung wechseln.
Die Umschaltung erfolgt mit dem Eingangsparamter "flag". Statt im Steigflug (flag = 1) mit der Variablen v
Durch geeignete Parameterwahl ist ein Modell mit dem Gewicht und der Energie wie im Rechenbeispiel durchaus so hinzutrimmen, dass es im Horizontalflug Flugstrecken über 10 km schafft. Dies wird insbesondere mit großen Flügelstreckungen erreicht. Allerdings ist dabei zu beachten, dass der hier praktizierte Bezug des Modellrestwiderstandbeiwertes c
8. Bereichsberechnung
Um bei der Auswertung die Veränderungen bei Variation eines Paramters leichter beurteilen zu können, soll nun die Berechnung in einem ganzen Datenbereich ermöglicht werden. Dazu dient die folgende Funktion fReihe.
Neben den Variationswerten des Bereichsparameters wird dieser Funktion auch der
8.1 Festlegung der Bereichsvariablen
Die Festlegung der Bereichsvariablen erfolgt in den nachstehenden, farblich hervorgehobenen Feldern. Mit dem "Index der Variablen" bestimmt man, welche der Eingangsparamter als Bereichsvariable verwendet werden soll. Zur Erinnerung sind daneben in Textform die Namen der Variablen und ihre Indizes im
Die Werte der übrigen drei farblich hervorgehobenen Felder beschreiben den gewünschten Untersuchungsbereich.
Beim Horizontalflug ist die Variation der Flügelschlagfrequenz wirkungslos !
3. Spannweite
Diese Werte werden nun an die Funktion f
Anzahl der Rechendurchgänge
Begrenzung auf 10 Rechendurchgänge
Die Berechnung im Datenbereich kann einige Minuten dauern. Um unbeabsichtigte Rechengänge zu vermeiden, sollte man vor der Aktivierung der nachstehenden Gleichung die automatische Berechnung des Arbeitsblattes abschalten.
8.2 Ergebnis der Bereichsberechnung
8.2 Ergebnis der Bereichsberechnung
20
Bei ungeeigneter Modellkonfiguration ist ein Kräftegleichgewicht nicht möglich. Wenn dies auch nur bei einem der Bereichsschritte der Fall ist, entfällt die ganze Ergebnisanzeige und Mathcad meldet einen Fehler. Die Daten der Bereichsvariablen sind dann in geeigneter Weise abzuändern.
Das Fenster geeigneter Modellkonfigurationen ist relativ klein.
Nur wenn die Kräfte F
Zur besseren Darstellung sind in nachfolgender Grafik einige Werte durch 10 dividiert.
In der Praxis werden bei einem Modell meist mehrere Ziele gleichzeitig verfolgt. Beispielsweise soll ein Ornithopter eine möglichst große Steighöhe, bei kleiner Motorleistung und mit kleiner Flügelverwindung erzielen und womöglich auch noch gut im Gleitflug sein. Die diesbezüglich mit dem Rechenmodell erzielbare Datenflut führt leicht zur Verwirrung. Besser ist es, eine zusammenfassende Benotungen jeder Modellkonfiguration zu haben.
Dazu wäre zunächst eine zahlenmäßige
Außerdem ist jeder der Ausgabeparameter entsprechend der Aufgabenstellung und der persönlichen Beurteilung zu
Die Bewertung und Gewichtung kann dann durch Produktbildung in einer
Mit so einer Gesamtnote sind zahlenmäßige Vergleiche des Modells als Ganzes möglich. Dieses beim