RT Dissertation/Thesis
T1 A numerical study on the aerodynamic forces and the wake stability of flapping flight at low Reynolds number
A1 Moriche Guerrero, Manuel
AB The unsteady aerodynamics that govern flapping flight at low Reynolds number arenot yet properly understood. This means that air vehicles that use flapping wings togenerate both thrust and lift do not show the desired performance. Many works onthe aerodynamic forces of flapping airfoils can be found in the literature, but still ourcapability to predict these forces is limited. Most of these studies focus on flappingairfoils, assuming infinite aspect ratio wings and Two Dimensional (2D) flow. To whatextent the 2D assumption is valid is uncertain. Furthermore, a very few studies addressthe effect that Three Dimensional (3D) flow structures originated by flow instabilitiesin infinite aspect ratio wings have on the aerodynamic forces.In this work we present Direct Numerical Simulations of heaving and pitching airfoilsat low Reynolds number where the airfoil motion is prescribed by sinusoidal laws. Theparameter space of this problem is huge, so only the mean pitch angle and the phaseshift between the heaving and pitching motions are modified. We generate a databaseof 18 cases and analyze the integrated values of thrust and lift of each case. Also, areference case is selected to perform a detailed analysis of the forces and decomposethe total aerodynamic force in contributions from body motion, vorticity within theflow and surface vorticity. This analysis is extended to a subset of cases from thedatabase in order to study the influence of the motion parameters on the aerodynamicforces. After that, we proceed to estimate the aerodynamic forces by existing modelsfrom the literature and, based on observations made through this work, we propose amodification to increase the accuracy of the predicted forces. Finally, we compute thetotal aerodynamic force as the combination of the contribution from body motion andvorticity within the flow, neglecting surface vorticity effects. This proposed model showsremarkable results for the prediction of thrust and good results for the lift.After analyzing the aerodynamic forces of the 2D cases, we proceed to study thethree-dimensionality of the flow of part of the database. First, we present a stabilityanalysis of four of the cases from the database. Each case is studied by Floquet stabilityanalysis. The four cases considered display different wake structures resulting in differentmean aerodynamic forces. Two cases produce thrust and lift, one case only thrust (withsymmetric heaving and pitching) and the remaining case mainly lift (with the highestmean pitch angle). In addition, the latter case displays a period doubling phenomenon,and it is found to be linearly unstable for long wavelengths, with an instability mode that resembles that of mode A found in the wake of cylinders. Other cases, althoughbeing linearly stable, present a convective instability at smaller wavelengths. Finally,the unstable case has been studied with a fully 3D DNS to evaluate the effect of thethree-dimensionality on the forces. The resulting flow structure is consistent with thelinear stability analysis in the near wake. Further downstream nonlinearities lead to afully 3D wake. Despite this, the aerodynamic forces on the 3D wing are very similar tothose obtained in the 2D simulation.
AB La aerodinámica no estacionaria que gobierna el vuelo de alas batientes a bajo númerode Reynolds todavía no se entiende correctamente. Esto significa que los vehículos aéreosque usan alas batientes para generar empuje y sustentación no consiguen el rendimientodeseado. En la literatura, se pueden encontrar muchos trabajos sobre fuerzas aerodinámicasen perfiles batientes, pero aún así nuestra capacidad para predecir estas fuerzases limitada. La mayoría de estos estudios se centran en perfiles, asumiendo un ala derelación de aspecto infinito y flujo bidimensional (2D). El rango de validez de la hipótesis2D es es incierto. Además, muy pocos estudios abordan el efecto que tienen las estructurastridimensionales (3D) originadas por inestabilidades del flujo en alas de relaciónde aspecto infinito sobre las fuerzas aerodinámicas. En este trabajo presentamos simulacionesnuméricas directas de perfiles batientes a bajo número de Reynolds dondeel movimiento del perfil aerodinámico es prescrito por leyes sinusoidales. El espacio deparamétrico de este problema es enorme, por lo que sólo se modifican el ángulo de ataquemedio y la diferencia de fase entre los movimientos vertical y de cabeceo. Generamosuna base de datos de 18 casos y analizamos los valores medios de empuje y sustentaciónpara cada caso. También se selecciona un caso de referencia para realizar un análisisdetallado de las fuerzas y, además, descomponer la fuerza aerodinámica total en las contribucionesde movimiento del cuerpo, de vorticidad contenida en el flujo y de vorticidadsuperficial. Este análisis se extiende a un subconjunto de casos de la base de datos conel fin de estudiar la influencia de los parámetros de movimiento sobre las fuerzas aerodinámicas.Posteriormente, se procede a estimar las fuerzas aerodinámicas por modelosde orden reducido presentes en la literatura y, a basándones en observaciones realizadasen este trabajo, se propone una modificación para aumentar la precisión de las fuerzasobtenidas. Finalmente, se calcula la fuerza aerodinámica total como la suma de la contribuciónde movimiento del cuerpo y de vorticidad contenida en el flujo, sin considerarefectos de la vorticidad superficial. Este modelo propuesto muestra resultados notablespara la predicción del empuje y buenos resultados para la sustentación.
YR 2017
FD 2017-02
LK https://hdl.handle.net/10016/24960
UL https://hdl.handle.net/10016/24960
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 1 sept. 2024