Membrantragflächen in instationärer Potentialströmung

Abstract

In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die Analyse von membranartigen Tragflaechen in instationaerer Potentialstroemung ermoeglicht. Einige typische Anwendungen dieser Tragflaechen sind Haengegleiter, Drachen und Bootsegel. Im Falle des Haengegleiters verfuegt der Fluegel ueber eine geringe Torsionssteifigkeit. Der Anstellwinkelverlauf entlang der Spannweite wird daher sowohl vom nichtlinearen Verhalten der Membranstruktur als auch von den aerodynamischen Lasten beeinflusst. Diese haengen wiederum von der Anstellwinkelverteilung ab. Das System wird somit von der Fluid-Struktur-Koppelung dominiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein neuartiges Wirbelflaechenverfahren vorgestellt, das speziell fuer die Membran-Fluid-Interaktion bei instationaerer Potentialstroemung entwickelt wurde. Durch die spezielle Wahl von Wirbelverteilungen kann das gleiche Analysenetz wie jenes fuer das strukturelle Problem herangezogen werden, welches mit der nichtlinearen Methode der Finiten Elemente behandelt wird. Das Verfahren liefert neben den aerodynamischen Lasten auch die aerodynamische Laststeifigkeits- und die aerodynamische Daempfungsmatrix. Auf diese Weise kann die Fluid-Struktur-Koppelung in verschiedenen Varianten erfolgen, wobei auch eine simultane Loesung moeglich ist. Der zweite Teil behandelt strukturelle Aspekte der Modellierung von Membrantragflaechen. Spezielle Elemente und Prozeduren werden dabei eroertert. Der dritte Teil umfasst die Formulierung des gekoppelten Problems. Im stationaeren Fall werden drei Varianten eroertert. Die Erweiterung fuer instationaere Probleme erfolgt schliesslich mit dem Schema, das die simultane Loesung ermoeglicht. Abschliessend wird im vierten Teil die Modellierung und Analyse eines Haengegleiters gezeigt, der instationaere Flugzustaende durchlaeuft.

In this work a method will be described, which allows the simulation of membrane wings in unsteady potential flow. Typical examples for membrane wings are hang-gliders, kites and sails of boats. In the case of hang-gliders the wing has very little torsional stiffness. The wing shape, i.e. the angle of attack along the wingspan, is governed by both the nonlinear membrane structure and the aerodynamic loads, which in turn depend on the geometry of the structure. Therefore this system is dominated by strong fluid-structure interaction. The first part describes the development of a novel higher order vorticity panel procedure for solving the unsteady potential flow problem. The procedure uses the same mesh as the nonlinear Finite Element code, which has advantages with respect to the coupling schemes. Beside aerodynamic loads the fluid module also calculates the load derivates with respect to displacements and velocities. This feature allows the simultaneous solution of the coupled unsteady problem. The second part deals with the structural problem, introducing special Finite Elements and procedures for the simulation of membrane wings. The third part shows different coupling schemes for the stationary problem. The simultaneous scheme is then extended to unsteady problems. The last chapter describes the model and flight tests of an hang-glider in unsteady motion.