Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

[georgweb]

Bitte zu dem o.g. Thema posten oder lieber nix. Vielen Dank.

Hallo JP,
fast vergessen, hier gibts auch noch schöne Einblicke ins Innenleben von Gleitschirmen von Michael Nesler himself:

http://www.independence-world.com/sonstiges/development/Design.htm

http://www.independence-world.com/sonstiges/development/images/profil.gif

http://www.independence-world.com/sonstiges/development/images/polare.gif

Du hast angeboten, die von dir geposteten Kurven zu erklaeren, dann mal los!

Georg
PS: Auf dem bigairparagliding -Forum (und auf der dhv-titelseite) steht, dass Advance seine Designer rausgeschmissen hat. Der neue Mann kam mit neuen Profilen und hat den Schirm von Chrigel Maurer entwickelt - scheinbar gibts doch noch kein Einheits-Fluegelprofil mit wenig Leistungsspielraum?

[Sick Dog]

Ot..

Hi,
Ich glaube in diesem Punkt kann man noch eniges erreichen, da ja diese "Profillehre" ja primär im Bereich der Laminar-Profile fortgeschritten ist. Bei uns lansamfliegern gibt es wahrscheinlich noch enormes entwicklungspotential.
Dennoch denke ich das die Arten der Profile eingeschränkt ist und die zu realsierenden Eigenschaften keine Leistungssprünge zulassen werden können.

Zu Advance kann ich nur sagen, das dies eine Vereänderung bring, denn die Vor-Nef Schirme waren toll und die "Kinder" des neuen gefallen mir aucvh wieder. Die Vögel dazwischen waren zwar fliegbar, aber nicht zwangsläufig kaúfenswert.

CU

[MalteJ]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

In der PDF von JP sieht man die Profilpolare vom Firebird Grid (@JP, haste das dazugehörige Profil auch?).
Etwas lesefreundlicher ist allerdings die Polare vom Nesler

http://www.independence-world.com/sonstiges/development/images/polare.gif

Weswegen ich die Daten anhand dieses GIFs erklären will.

C ist im allgemeinen das Zeichen für einen Aerodynamischen Beiwert.
L steht für "Lift" - im Deutschen A wie "Auftrieb"
d steht für "Drag" - im deutschen W wie "Widerstand"
m steht für "Momentum" und bezeichnet das Nickmoment des Profils
Alpha ist der Anstellwinkel.
Re ist die Reynoldszahl, eine Zahl die die Viskosität der Luft in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Flügeltiefe beschreibt.

Im Diagramm ganz links wird der CL in Abhängigkeit des Cd Wertes angegeben.
Man sieht, wenn sich der Auftrieb erhöht, erhöht sich auch der Wiederstand.
Teilt man CL durch Cd so erhält man die Gleitzahl.
Wie man sieht, erzeugt das Profil bei einem Auftriebsbeiwert von 1,6 einen Widerstand von 15*10E-3 und somit eine Gleitzahl von 106.
Leider kommen zu dem Widerstand des Profils noch ganz viele Wiederstände hinzu.
Hier wird von einem Flügel mit unendlicher Spannweite ausgegangen, was bedeutet, dass der Induzierte Wiederstand noch nicht mit einberechnet ist.
Zusätzlich ist der Gleitschirm an den Seiten gebogen und erzeugt so Kräfte, die nach aussen wirken und trotzdem Widerstand erzeugen.
Dann gibt es noch Falten, Ballooning, Leinen, Pilot, Gurtzeug etc. pp. was alles auch nochmal Widerstand erzeugt und somit die Gleitzahl auf einen Bruchteil reduziert.

Rechts sieht man aufsteigende Linien, die den Auftriebsbeiwert in Relation zum Anstellwinkel zeigen.
Darunter sind leicht abfallende Linien, die den Nickmomentenbeiwert ebenfalls in Relation zum Anstellwinkel zeigen. Je größer der Betrag des Cm Wertes ist, um so mehr nickt der Schirm. Eine Methode den Betrag gering zu halten ist das einarbeiten eines S-Schlags in das Profil. So wird der Flügel um die Querachse stabilisiert.

Bei den gestrichelten Linien bin ich mir nicht ganz sicher.
Da sie aber ihren Ursprung an den CL/Cd Graphen haben, könnte ich mir vorstellen, dass es sich um abgelöste Strömung handelt.

Das Programm mit dem der Nesler diese Polare erstellt hat, heißt meines Wissens DesignFOIL und gibts für glaube ich 180 Dollar zu erwerben.
Das Programm von JP heißt XFoil und ist Freeware.

Soviel ich weiß ähnelt das NACA 2218 Profil noch einigermaßen dem eines Gleitschirms.

[EDIT]
Berechnungen die den ganzen Schirm mit allem drum und dran berücksichtigen können nur mit einem sehr detailgetreuen 3D-Modell des GS-Systems mit Software berechnet werden, die schnell in die zehntausende Euros geht.
So genannte CFD (Computational Fluid Dynamics) Programme.
Die wohl bekanntesten und leistungsfähigsten CFD/FEM Programme kommen von ANSYS (www.ansys.com).
Aber selbst diese Programme können den Schirm nicht bis ins letzte Detail berechnen und so bleibt der Testpilot und das glückliche Händchen des Designers unerlässlich.
[/EDIT]

Falls ich was falsch erklärt/verstanden habe berichtigt mich bitte.
Bin nämlich selber noch am Lernen in Sachen Aerodynamik.

Viele Grüße,
Malte

[georgweb]

Naca2218

Ja super Malte,
darfs noch etwas mehr sein?
Ich häng mal das von dir erwähnte NACA2218 dran. Wer Lust hat (Zeit haben wir ja jetzt alle?), kann ja die Kurven auch nochmal erklären, gerne im Vergleich zu den vorherigen
Soweit ich mich aus alten Diskussionen erinnere, muss ein Gleiti-Profil nicht eigenstabil sein (ich meine damit negativer Momentenbeiwert), also kein S-Schlag-Profil.
Ich dachte auch immer, dass die Groesse des positiven Momentenbeiwerts mit der Vorschiess-Tendenz einhergeht - welche Faktoren spielen da noch mit (Schränkung, Krümmung,...) ?
Georg

[Horst Altmann]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

Hi,

Das zweidimensionale Profil ist halt leider noch nicht der dreidimensionale Flügel, mit dem wir tatsächlich fliegen. Mit der dritten Dimension kommt dann Streckung, Zuspitzung (bzw. Flächenform, zB Ellipse), seitliche Krümmung, Schränkung usw mit ins Spiel. Und damit macht dann auch erst die Berechnung von Auftrieb, Widerstand (ein Profil hat keinen induzierten Widerstand) und Moment im Hinblick auf tatsächliche Trimm-Leistungen (Gleitzahl, Speed) Sinn.

Bei unseren langsamen Flügeln kann man für 3D-Rechungen auch gut sog. potentialtheoretische Verfahren verwenden, es muß nicht unbedingt ein super-komplexer (und teurer) Navier-Stokes-Löser sein. Das Ergebnis eines potentialtheoretischen Verfahrens ist dann die Duck- und Geschwindigkeitsverteilung über den Flügel (damit hat man schon den induzierten Widerstand). Daraus läßt sich dann auch nachgeschaltet eine Grenzschichtbetrachtung mit den Reibungseffekten ausführen. Ein Beispiel hatte ich schon mal hier gegeben:
http://www.sports-funline.de/vbullet...3&page=2&pp=15.

Die Farben in dem Bildchen entsprechen dem lokalen Druck. Rot etwas ist der Staudruck an der Nase, blau der starke Sog an Oberseite hinter Nase.

Im alten Thema (Wie funktioniert das Speed-System?) wollte ich damit theoretisch aufzeigen, daß ein um 65cm nach vorn verschiebener Pilot (gedrücktes Speed-System) eine sehr realistische Anstellwinkelverkleinerung und damit Speederhöhung (ca. 8km/h) erbringt. Man kann natürlich auch andere Sachen analysieren, zB Effekt heruntergezogener Ohren (Omega-Proto) oder der Hinterkanten-Bürzel (NOVA-Film, weißer Schirm).

Grüße, Horst

[MalteJ]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

Hmm, Potentialtheoretisches Verfahren...
Ach genau! Stefan Müller hat drüber geschrieben.
Er meint es ließe sich durchaus bei inkompressiblen Strömungen (also weit unter Mach 1) einsetzen und erheblich weniger Rechenaufwand erzeugen.
Allerdings lässt sich damit nicht der Reibungswiderstand simulieren.
Müller hat diesen dann per Annäherung ermittelt (fragt mich nicht wie!)

Welches Programm benutzt du denn da?
An einem zur Berechnung der Aerodynamik an 3D Modellen wär ich stark interessiert!

Malte

[JP Philippe]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

Hey super,
jetzt kommen wir so langsam mal in Fahrt!
@Horst
Richtig, ich bin bis jetzt nur in der Lage das Profil in der Ebene zu berechnen.
Für die Berechnung eines konkreten Flügels benutze ich dann ein selbstgestricktes Panelverfahren (Excel).
Was für einen Schränkungsverlauf nimmst Du denn an für Dein Modell?
@MalteJ
Jau, das habe ich aus dem Bildchen rausgezogen. Und damit habe ich dann die Polare gerechnet. Ist aber nicht so glatt ect. Ich sehe es allerdings nur als Studienobjekt von dem man was lernen kann, somit kommt veröffentlichen nicht in Frage, ausserdem will ich keinen vom Danni auf den Deckel bekommen.


Für die Berechnung der Auftriebsverteilung benutze ich dann noch zur Kontrolle das "Ranisprogramm", das ist recht beliebt bei den Nurflügel-Modellbauern. Es macht eine etwas bessere Schätzung des Induzierten Widerstands.
Von dem "potentialtheoretischen" Verfahren verstehe ich leider nichts, ist das ein FEM/Panelverfahren für Druckverteilungen?

An dem speziellen Gleitschirmprofil ist mir folgendes aufgefallen:
Das Dickenmaximum ist recht weit vorne. Daraus ergibt sich auch eine recht starke Krümmung an der Profilnase. Ich denke das sich da die Strömung recht sauber abreissen lässt und sich auch recht sauber wieder anlegt (Startverhalten, Fullstallausleitung).
Der Momentenverlauf ist (bis auf die "Beule" dank meiner Faulheit ) fast konstant, ich denke das hält das "Schiessen" im Zaum (ich denke das ein S-Schlag bzgl. Schiessen das beste ist, liefert halt nicht so viel Auftrieb..). Gut, kann sein, das sich die Beule in der Polare durch eine Laminarblase bildet, aber x-foil gibt ja keine Blasenwarnungen aus.
Der Widerstandsanstieg und Auftriebsanstieg ist auch alles recht gerade. Ich denke all diese Eigenschaflten machen das Profil recht einfach zu handlen, da man für Momentenanstieg usw. ganz einfache Formeln nehmen kann, bzw vielleicht sogar mit Konstanten rechnen kann!

Das Laminarprofil-Thema widerstricht insofern dem Beispielprofil, als das Laminarprofile Typischerweise ein sehr weit hinten liegendes Dicken- und Wölbungsmaximum haben. Ich würde sagen, es fliegt, startet aber wahrscheinlich schlechter und ich könnte mir vorstellen, das der FS damit etwas blöde zu fliegen ist, insbesondere bei der Ausleitung. Andererseits bin ich einverstanden, das der einfachste Ansatz zur Erhöhung der Profilleistung die Verlängerung der laminaren Laufstrecke ist.

Also meine ehrliche Meinung: Ich denke man kann Detailverbesserungen an den Profilen machen, aber einen Quantensprung wie bei den Segelflugzeugen mit ihren Laminarprofilen werden wir nicht erleben.
Ich hatte mal die Idee, am Profil, dort wo die Laminarblase entsteht, mittels eines Streifens unbeschichteten Tuchs eine Art Blasturbulator einzubauen. Das wäre vielleicht mal interessant. Oder man setzt mal ganz bewußt Turbulenzprofile ein. Sind allerdings fasst nicht zu rechnen, diese Dinger.

[MalteJ]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

Von dem "potentialtheoretischen" Verfahren verstehe ich leider nichts, ist das ein FEM/Panelverfahren für Druckverteilungen?

richtig!
Wikipedia fasst sich kurz und sagt:

Eine Potentialströmung ist eine idealisierte Strömung um einen beliebigen Körper. Mathematische Lösungen werden mithilfe der Potentialtheorie ermittelt. Die Potentialheorie in der Strömungsmechanik ist ein mathematischer Lösungsansatz, mit dessen Hilfe sich inkompressible, reibungsfreie Strömungen um beliebige Körper berechnen lassen. Jedoch kann man die Theorie auch für andere Bereiche anwenden, so auch in der Gasdynamik.

http://de.wikipedia.org/wiki/Potentialstr%C3%B6mung

Wers genauer wissen will, hier ein Link

http://cdlab2.fluid.tuwien.ac.at/LEHRE/322012/HTML/node3.html

Mir hilfts nicht viel weiter. Hatte in der Schule (leider?) noch keine Integralrechnung :-/

Ansonsten bisschen nach Potentialströmung googeln.

Achso, der Kistler hat noch was zu Profilen geschrieben:

http://www.gleitschirm-magazin.com/pdf/konzeption.pdf

Grüße,
Malte

[Horst Altmann]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

Hi,

Die sog. Potentialtheorie erlaubt die näherungsweise Berechung von reibungsloser, drehungsfreier Strömung um einen beliebigen dreidimensionalen Körper. Mach = 0 ist nicht unbedingt notwendig, vereinfacht die Sache aber und paßt für unsere Flügel sowieso. Das Potentialverfahren unterteilt die Flügeloberfläche zunächst in eine endliche Zahl viereckiger Elemente und damit ist es ein Finite Element Verfahren. Jedes Element wird nun mit eine sog. Singularität belegt. Das sind
* Quelle/Senke
* Wirbelring (gleich Dipol)

Quellen/Senken braucht man um die Verdrängungswirkung des Körpers zu beschreiben. Wirbel sind notwenig, um Auftrieb zu erzielen. Die Kunst ist nun, die richtigen Stärken von Quelle/Senke bzw. Wirbel zu bestimmen. Dies gelingt, indem man im Mittelpunkt jedes Elements tangentiale Strömung fordert. Zusätzlich ist gefordert, daß die scharfe Hinterkante des Flügels nicht umströmt werden darf (Kutta-Bedingung). Damit lassen sich die Stärken der Singularitäten berechnen und daraus folgt dann in jedem Element der Strömungsvektor und daraus der Druckbeiwert. Jetzt summiert man den Druck an jedem Element über den ganzen Flügel auf, zerlegt bzgl. Anströmrichtung, und erhält so Auftrieb, induzierten Widerstand und Querkraft (bei Schiebewinkel). Entsprechend folgen auch die Momente um einen gewählten Bezugspunkt (vernünftig beim GS der Einhängepunkt des Piloten).

Der Reibungs-Widerstand wird dann nachgeschaltet mit den Formeln der Grenzschicht-Theorie bestimmt und mit eingebracht. Hier ist auch eine Vorhersage von Ablösung möglich.

Ich hab mal eine Rechung mit insgesamt 2000 Oberflächen-Elementen gemacht. Das ist bereits eine brauchbare Auflösung und führt zu vernünftigen Ergebnissen. In der Rechung tritt dann auch eine 2000x2000 große Matrix auf, die fürs Lösen zu invertieren ist. Also etwas Arbeit für den Rechner.

Zum Flügel: Ein typischer (wenn auch nicht aktuelles Design) eines 2er Schirms mit Streckung 5,58 (ausgelegte Ellipsen-Referenzfläche). Ausgelegte Fläche elliptisch (aber abgeschnitten an Ohren). Seitliche Wölbung ist eine Halb-Ellipse mit Faktor 0,45. Profil hat 19% Dicke bei 26%Tiefe und 1,8% Wölbung bei 28%Tiefe. Projezierte Fläche ist 24,17m2, mittlere Flügeltiefe 2,42m.

[Nimmt man Streckung unendlich (praktikabel 1000) und keine Zuspitzung, Wölbung usw. bekommt man das 2D-Ergebnis (Profil)].

Angehängt ist das Ergebnis für getrimmte Bedingungen: Anstellwinkel 8° gewählt (ist typisch für GS unbeschleunigt). Der Piloten-Einhängepunkt (hier Momenten-Bezugspunkt) ist 1m hinter Nase in der Mitte und 7.3m unter Nase gewählt.

Die Rechnung inkl. Reibungsabschätzung am Flügel ergibt dann:
Auftriebsbeiwert CA_Schirm = 0,76
Widerstandsbeiwert CW_Schirm = 0.075
Nick-Momentenbeiwert Cm_Schirm = -0.034

Jetzt gibts aber auch noch Leinen und den Piloten.

Leinen: Angenommen sind 350m Leinen mit durchschnittlichen Durchmesser von 1,5mm. Widerstandskoeffizient Leine ist ca 1,0.
Daraus CW_Leinen = 350*1,5E-03*1,0/24,17 = 0,022

Pilot: Angenommen ist eine Widerstandsfläöche von 0,5m2 mit Widerstandskoeffizient 1,0 (etwa wie frontal angeströmte Platte)
Daraus CW_Pilot = 0,5*1,0/24,17 = 0,021

Zu beachten ist bei Leinen und Pilot, daß die Beiwerte auf die Referenzfläche des Flügels (24,17m2) zu beziehen sind.

Damit Gleitzahl: CA_Schirm/(CW_Schirm+CW_Leinen+CW_Pilot) = 6,44

Die Gleitzahl von 6,44 ist nicht ganz unrealistisch, eher etwas zu schlecht verglichen mit Herstellerangaben. Allerdings ist die Zahl rechnerisch sensitiv gegen Widerstandsbeiträge. Nehmen wir mal Leinen- und Pilotenwiderstand mit je 0.015 an folgt schon GZ = 7,2 (sehr realistisch).

Also: Mit dem Potentialverfahren + Reibung + Leinen/Pilot kann man schon ganz vernünftig einen GS aerodynamisch untersuchen und mit der Geometrie rumspielen. Was schwierig ist, ist die Beherrschung von abgelöster Strömung, zB heruntergezogene Hinterkante. Es läßt sich machen, indem man zusätzliche Wirbelfelder in der abfließenden Strömung (Nachlauf) einbaut, ist aber eine Fuxerei.

@MalteJ
Ich hab ein für Nurflügler (Gleitschirm, Drachen) angepaßtes Programm-System zunächst einmal in Fortran entwickelt und dann an den Stefan Müller weitergegeben. Ich glaube, er benutz es immer noch für verschiedene Anwendungen.
Selber habe ich jetzt die Algorithmen in Matlab programmiert, das vereinfacht Programmierung und Visualisierung ungemein.

Grüße, Horst

[MalteJ]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

Danke an Horst für den kleinen Exkurs!
(hast jetzt übrigens ne Mail von mir *g*)

Weiß einer, wo ich die Veröffentlichung "Puchta A., Müller S.: Identifikation, Analyse und Bewertung der Eigenbewegungsformen eines Gleitschirmsystems unter konstruktiven Gesichtspunkten; Luft- und Raumfahrt, TUM, 10. Juli 2001" herbekomme?
Steht bestimmt noch interessantes drin! Ist auch noch gar nicht so alt.
Ich habe Stefan Müller vor zwei Wochen schon ne Email geschrieben - gab aber keine Antwort

Malte

[Horst Altmann]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

Hi,

Hab nebenbei mal Rechnungen gestart für zwei Flügelvariationen. Vielleicht interessiert's jemanden:

* Der Referenz-Flügel ist wie in meinem letztem Beitrag beschrieben. Siehe erstes angehängtes Bild.

* Flügel wie oben nur mit stärker ausgeprägter Flügel-Krümmung Richtung Ohren, wie beim bekannten Omega-Proto. Geometrisch ist das Achsen-Verhältnis der Halbellipse (welche eben die seitliche Flügel-Krümmung beschreibt) von 0,45 auf 0,6 gestiegen, siehe 2. Bild.

* Flügel wie Referenz, aber nicht mit elliptischer Grundfläche sondern mit einem Trapezflügel., i.e. Trapezflügel ist um die Halbellipse herumgelegt und hat so auch "Ohren". Dieses einfach zu erstellende Modell ist eine Annäherung an den weißen Proto, wie er im NOVA-Film zu sehen ist, drittes Bild.

Jetzt die Beiwerte, gültig für jeweils 8° Anstellwinkel:

Flügel: ..... Referenz ....... Omega-Style ....... NOVA-Style
CA ........... 0,7529 .......... 0,7228 ................ 0,6033
CWi ......... 0,0622 .......... 0,0627 ................ 0,0512
CA/CWi ... 12,10 ............ 11,53 .................. 11,78

CA: Auftriebsbeiwert
CWi: induzierter Widerstand
CA/CWi: Gleitzahl ohne Flügel-Reibung, ohne Leinen, ohne Pilot !!!

* Omega-Style Flügel
War zu erwarten, daß mit den stärker heruntergzogenen Ohren und damit mit verminderter nach oben weisender Fläche der Auftrieb insgesamt abnimmt. CWi nimt laut Rechung etwas zu, läßt sich einsehen, weil der stärker gewölbte Flügel immer mehr das Ideal der ebenen Ellipse verläßt (Nach der Theorie hat der ebene elliptische Flügel den geringsten induzierten Widerstand!).
Warum macht Advance also das? Ja, wenn man's wüßt. Evtl. erlauben die stark betonten Ohren höhere Streckungen und damit kann man wieder Leistung rausholen.

* NOVA-Style Flügel
Die Annahmen zur Modellierung sind natürlich sehr vage und deshalb also Vorsicht! CA/CWi nahe Referenz, warum auch nicht? Streckung, Zuspitzung, seiltiche Wölbung ist gleich, allein wie der Flügel sich nach außen verjüngt ist etwas anders. Hier könnte man noch viel mit der Form von Vorder- und Hinterkante rumspielen. Was auffällt ist der Einbruch in CA. Das liegt wahrscheinlich auch daran, daß wenig nach oben zeigende Fläche da ist. Der elliptische Grundriß hat nun mal viel Fläche im Mitenbereich und der ist eben fast horizontal und alle Druckkräfte tragen zum Auftrieb bei. Mit dem geringen CA muß der Flügel natürlich schneller fliegen um das gleiche Gewicht zu tragen. Etwas vermessen wär's jetzt zu sagen, im NOVA-Film zeiht der weiße Proto dem anderen ja auch deutlich davon.

Wenn jemand Genaueres zur Geometrie des NOVA-Proto weis, bitte melden.

Grüße, Horst

[herc]

AW: Flügelprofile Gleitschirm (war: Wie funktioniert das Speed-System?)

gerade drüber gestolpert - amüsante lektüre mit leichtem bezug zum gleitschirmfliegen

http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/early/2010/11/23/rspb.2010.2179

Flight in slow motion: aerodynamics of the pterosaur wing

The flight of pterosaurs and the extreme sizes of some taxa have long perplexed evolutionary biologists. Past reconstructions of flight capability were handicapped by the available aerodynamic data, which was unrepresentative of possible pterosaur wing profiles. I report wind tunnel tests on a range of possible pterosaur wing sections and quantify the likely performance for the first time. These sections have substantially higher profile drag and maximum lift coefficients than those assumed before, suggesting that large pterosaurs were aerodynamically less efficient and could fly more slowly than previously estimated. In order to achieve higher efficiency, the wing bones must be faired, which implies extensive regions of pneumatized tissue. Whether faired or not, the pterosaur wings were adapted to low-speed flight, unsuited to marine style dynamic soaring but adapted for thermal/slope soaring and controlled, low-speed landing. Because their thin-walled bones were susceptible to impact damage, slow flight would have helped to avoid injury and may have contributed to their attaining much larger sizes than fossil or extant birds. The trade-off would have been an extreme vulnerability to strong or turbulent winds both in flight and on the ground, akin to modern-day paragliders.