BADANIA WPŁYWU KINEMATYKI RUCHU SKRZYDEŁ ENTOMOPTERA NA JEGO OSIĄGI OGÓLNA KONCEPCJA BADAŃ

Transkrypt

1 MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN X 37, s , Gliwice 2009 BADANIA WPŁYWU KINEMATYKI RUCHU SKRZYDEŁ ENTOMOPTERA NA JEGO OSIĄGI OGÓLNA KONCEPCJA BADAŃ PAWEŁ CZEKAŁOWSKI Załad InŜynierii Lotniczej; Instytut InŜynierii Lotniczej, Procesowej i Maszyn Energetycznych; Politechnia Wrocławsa pawel.czealowsi@pwr.wroc.pl Streszczenie Tematya pracy dotyczy badania mechanizmów trzepoczących srzydeł, realizujących inematyę ruchu zbliŝoną do srzydła owadziego, w onteście zastosowania w uładach sterowania i napędu miniaturowych obietów latających mirosamolotów (mbsl, ang. MAV). Koncepcja badań polega na pomiarze sił aerodynamicznych generowanych przez srzydła zamocowane do mechanizmu trzepoczącego dla róŝnych parametrów ich ruchu. Badania zostaną przeprowadzone dla róŝnych ształtów obrysu srzydła. Kompletny mechanizm machający zostanie zamocowany w uładzie pomiarowym tunelu wodnego firmy Rolling Hill Corp (model 2436) 1 1. ISTOTA POMIARÓW I TŁO PROBLEMU Seti badań i analiz przeprowadzonych w ciągu ostatnich dwudziestu lat wyazały niezwyłą złoŝoność mechanii owadziego lotu i bogactwo zjawis aerodynamicznych. Zagada nie została jedna jeszcze do ońca rozwiązana, onieczne są dalsze badania. Na dzień dzisiejszy wiadomo, w jai sposób pozysiwane są dodatowe, niewytłumaczalne lasyczną aerodynamią, siły potrzebne do lotu taiego obietu. Z technicznego puntu widzenia drugą luczową, oprócz znajomości zjawisa, jest umiejętność jej ontrolowania. Oazuje się, Ŝe najbardziej rozpowszechnionym wśród lotniów ultramałych liczb Reynoldsa mechanizmem zwięszania sił aerodynamicznych i jednocześnie najbardziej efetywnym jest generowanie wiru rawędziowego nad rawędzią natarcia (LEV- Leading Edge Vortex). Zjawiso to zostało doświadczalnie wyryte przez M. H. Dicinsona i K. Gotza w rou Dość zbliŝona metoda w technice jest znana od lat sześćdziesiątych i szeroo stosowana w samolotach supermanewrowych ze srzydłem pasmowym. Wir zaczyna się generować przy nadrytycznych ątach natarcia. Przy taich warunach opływu, aby został zachowany warune Kutty, powietrze napływające musi oderwać się od powierzchni srzydła. W miarę przemieszczania się srzydła o niesończonym wydłuŝeniu na ątach nadrytycznych, wir powięsza się, czemu towarzyszy wzrost siły aerodynamicznej. Dochodzi jedna do momentu, Ŝe twór osiąga wielość rytyczną i odrywa się od srzydła, czemu towarzyszy nagłe zmniejszenie się sił. Oazuje się, Ŝe luczową rolę w westii 1 Tunel wodny 2456 został zamówiony przez wydział Mechaniczno Energetyczny PWr i jest w tej chwili montowany w firmie Rollig Hills Corp. Dostawa tunelu, jego montaŝ i alibracja są przewidywane na oniec maja 2009 rou.

2 72 P. CZEKAŁOWSKI utrzymania taiego pola prędości woół srzydła pełni przepływ wzdłuŝ jego rozpiętości. W przypadu srzydła o sończonej długości część płynu wirującego nad rawędzią natarcia odpływa w ierunu ońcówi srzydła.w tej oolicy LEV łączy się z wirem podowiastym, generowanym przez przepływ wzdłuŝ rozpiętości srzydła. Uciecza wiru przez ońcówę srzydła wpływa stabilizująco, nie pozwala na jego rozwój, tóry doprowadziłby do oderwania. Rodzi się wobec tego pytanie, w jai sposób naleŝy wiązać ze sobą parametry inematyi ruchu srzydła (amplitudy, częstotliwości) oraz ja ształtować srzydło, aby uzysiwać optymalne siły aerodynamiczne. Dodatowo, w jai sposób naleŝy modyfiować inematyę, aby uzysiwać poŝądaną zmianę Rysune1. Strutura wirów [1] sił potrzebnych do sterowania. 2. UKŁAD POMIAROWY Badania będą polegały na serii pomiarów sił aerodynamicznych generowanych przez model zanurzony w anale tunelu wodnego. Pomiary doonywane będą za pomocą pięciosładniowej wagi aerodynamicznej. Zanurzony mechanizm w tracie pomiarów będzie poruszał srzydłami, naśladując ruch srzydeł owadzich. Osprzęt tunelu pozwala na wprowadzanie obietu w ruch oscylacyjny, co pozwoli na zamodelowanie róŝnych faz lotu. Dodatowo realizowana będzie wizualizacja opływu poprzez wprowadzenie do cieczy przed srzydłem barwnia. Obraz zostanie zarejestrowany do późniejszej analizy w celu wyznaczenia pola prędości w danym przeroju. Znając pola prędości w róŝnych przerojach, moŝliwe będzie wyznaczenie dystrybucji obciąŝenia siłą aerodynamiczną srzydła wzdłuŝ rozpiętości. Schemat obrazujący ideę pomiaru został zamieszczony na rys. 2. Rys. 2. Schemat ideowy doświadczenia (

3 BADANIA WPŁYWU KINEMATYKI RUCHU SKRZYDEŁ ENTOMOPTERA NA JEGO 73 PoniewaŜ ośrodiem w tym przypadu będzie woda, model zostanie odpowiednio wysalowany dynamicznie, ta aby liczba Reynoldsa cechująca opływ była zbliŝona do tej opisującej owadzią aerodynamię. Za dane wyjściowe do projetu uładu zostały przyjęte parametry cechujące trzmiela Bambus terrestris (tabela1), poniewaŝ istnieje szereg wyniów badań przeprowadzonych na tychŝe owadach. Wynii pomiarów modelowych moŝna będzie porównać z tymi przeprowadzonymi na Ŝywym stworzeniu. Kolumna tabeli 1, zawierająca zestawienie waŝniejszych cech morfologicznych owada, została sporządzona na podstawie [6]. Wartości olumny zawierające parametry modelu wyznaczono, załadając, Ŝe zostaną spełnione liczby bezwymiarowe: Liczba Reynoldsa (na podstawie [6]) Re 4Φ f R 2 υ λ (1) gdzie: Φ - całowity ąt ruchu (dwie amplitudy) w średniej płaszczyźnie ruchu f - częstotliwość trzepotania R - promień oręgu zataczanego przez ońcówę srzydła λ = ( 2R 2 ) - wydłuŝenie srzydła S S - pole powierzchni obu srzydeł υ - inematyczny współczynni lepości ośroda Zreduowana częstotliwość trzepotania dla zawisu (na podstawie [6]) π Φ λ (2) Tabela 1. Parametry morfologiczne owada (na podstawie [6]) oraz modelu

4 74 P. CZEKAŁOWSKI PołoŜenie srzydła zdefiniowane jest trzema ątami: połoŝeniem ątowym na średniej płaszczyźnie ruchu, ątem dewiacji, czyli połoŝeniem ątowym względem płaszczyzny prostopadłej do średniej płaszczyzny ruchu oraz atem nastawienia srzydła. Ogólnie przebiegi wyŝej wspomnianych atów moŝna zapisać jao rozwinięcie w szereg Fouriera: α( t) ( α n cos ( 2π n f t ) ) n = 1 Φ( t) n = 1 ( Φ n cos ( 2π n f t ) ) Θ( t) n = 1 ( Θ n cos ( 2π n f t ) ) (3) Zmiana inematyi realizowana będzie poprzez zmianę współczynniów szeregu. Analizowane będą róŝne trajetorie ruchu, począwszy od wyidealizowanej ósemi po ształty doładniej przypominające ruch owadzi. Wśród badanych trajetorii szuana będzie optymalna, zapewniająca najlepsze osiągi. Przeanalizowany taŝe zostanie wpływ fazy lotu, czyli poszuiwana będzie odpowiedź na pytanie, w jai sposób naleŝy modyfiować inematyę, aby uzysiwać poŝądane zmiany wypadowych sił. Rys. 3. Wyidealizowana trajetoria [3] Rys. 4. Przyładowy przebieg zmian połoŝenia srzydła [na podstawie 4] Poza spełnieniem warunów podobieństwa uład pomiarowy będzie musiał charateryzować się taŝe innymi cechami, tóre w istotny sposób wpłyną na onstrucję mechanizmu i sposób przeprowadzenia doświadczeń. Do waŝniejszych wymagań moŝna zaliczyć: Odporność na działanie wody - cały mechanizm zostanie zanurzony w wodzie, zatem zarówno sam mechanizm przeniesienia napędu (realizujący inematyę), ja i silnii muszą być niepodatne na działanie wody lub odpowiednio zabezpieczone MoŜliwość płynnej zmiany parametrów inematyi - swobodna moŝliwość zmiany częstotliwości oscylacji, a taŝe ich amplitudy i przesunięcia fazowego NiezaleŜny napęd względem aŝdego ze stopni swobody - moŝliwość modyfiowania w sposób niezaleŝny aŝdego ąta (a, F, Q) MoŜliwie prosty - sompliowane przeniesienie napędu moŝe być przyczyną nieprecyzyjnego odtworzenia inematyi (luzy) DuŜa amplituda ruchu, przeraczająca 120 o względem aŝdego ze stopni swobody MoŜliwie najmniejsza masa elementów ruchomych

5 BADANIA WPŁYWU KINEMATYKI RUCHU SKRZYDEŁ ENTOMOPTERA NA JEGO KONCEPCJE MECHANIZMÓW Uład z pojedynczym jarzmem i dwiema przeładniami (Coen van den Berg i Charles P. Ellington) rys. 6. Obrót jarzma realizuje przemieszczenie względem średniej płaszczyzny ruchu, zmiana ąta dewiacji realizowana jest poprzez pojedynczą ątową przeładnie zębatą, natomiast zmiana ąta nastawienia poprzez podwójną. W efecie taiego rozwiązania wszystie trzy wały napędowe usytuowane zostały w jednej osi. Wadą taiego rozwiązania jest onieczność ciągłej regulacji ąta nastawienia srzydła Uład z podwójnym szocim jarzmem i sprzęgłem przegubowym (Rafał śbiowsi i Cezary Galińsi, Michael J.C. Smith)- rys. 7. Realizacja ruchu względem średniej płaszczyzny ruchu oraz płaszczyzny do niej prostopadłej odbywa się poprzez przemieszczenie odpowiedniego jarzma. Kąt nastawienia ustawiany jest za pośrednictwem sprzęgła przegubowego. Wadą taiego rozwiązania jest ograniczenie ruchu jarzm ze względu na niewieli zares odchyleń sprzęgła przegubowego. Niewątpliwą zaletą jest prostota onstrucji. Uład z dwoma jarzmami oraz podwójną przeładnią zębatą rys. 5. Ruch w średniej płaszczyźnie ruchu odbywa się poprzez obrót jarzma - podstawy. Zmiana ąta dewiacji obywa się przez obrót jarzma przytwierdzonego do orpusu. Napęd zmiany ąta nastawienia złoŝony jest z dwóch ątowych przeładni zębatych. Zastosowanie dodatowego jarzma pozwoliło zrezygnować z olejnej przeładni. Bra sprzęgła przegubowego nie ogranicza amplitudy ruchu. Podobnie ja w przypadu mechanizmu z dwiema przeładniami onieczne jest ciągłe ustawianie ąta nastawienia. NiezaleŜnie od wybranej wersji mechanizmu napędowego jao jednosta napędowa posłuŝy zespół trzech silniów roowych. KaŜdy z nich odpowiadać będzie za obrót woół jednej osi. Rys. 5. Uład z dwoma jarzmami oraz podwójną przeładnią zębatą

6 76 P. CZEKAŁOWSKI Rys. 6. Uład z pojedynczym jarzmem i dwiema przeładniami [5] Rys. 7. Uład z podwójnym szocim jarzmem i sprzęgłem przegubowym [3] LITERATURA 1. S.P. Sane : The aerodynamic of flight. The Journal of Experimental Biology 2006, p S.N.Fryi, R Sayaman, M.H Dicinson: The aerodynamics of hovering flight in drosophila. (The Journal of Experimental Biology 2008, C.Galińsi, R. śbiowsi : Insect-lie flapping wing mechanism based on double spherical scotch yoe. J. R. Soc. Interface 2005, 2, p J. M. Waeling and C. P. Ellington: Dragonfly flight, velocities, accelerations and inematics of flapping flight. The Journal of Experimental Biology 1997, 200, p C.Van Den Berg, C. P. Ellington : The three-dimensional leading-edge vortex of a hovering model hawmoth. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 1997, 352, p ) 6. W. Shyy, Y. Lian, J. Tang, D. Vheru, H. Liu: Aerodynamics of low Reynolds number flyers. Ambridge University Press 2008, 109. INVESTIGATION OF INFLUENCE WING KINEMATICS OF ENTOMOPTER ON PERFORMANCE GENERAL CONCEPTION OF INVESTIGATION The subject area of this article concerns the research of flapping wings mechanisms (inducing the motion similar to the insect wing movement) in the context of their applying in control and propulsion systems of micro air vehicles (MAVs). The idea of the research consists in measurement of aerodynamic forces generated by wings fastened to the flapping mechanism, measurement which will be made separately for each parameter of wings motion. Diversification of wing velocity and wing trajectory will allow to estimate efficiency of wings, treated as an element of the control system. The measurements will be conducted for different wing shapes. The complete flapper mechanism will be fixed in the measurement system of the water tunnel (model 2436 Rolling Hill Corp), which is equipped with a fivecomponent aerodynamic balance.