Würde eine Reduzierung des Luftwiderstands um 8 % das zusätzliche Gewicht dieses benutzerdefinierten, CFD-getesteten Winglets aufwiegen?

Zunächst einmal, tolle Frage und tolle Untersuchung! Diese Art von „Mal sehen, was passiert“-Untersuchung wird Sie weit bringen, sollten Sie sich entscheiden, Aerodynamik auf fortgeschrittenem Niveau (und natürlich auch in anderen Bereichen) zu betreiben. Vor nicht allzu langer Zeit musste ich einen ähnlichen Bericht schreiben: Da mir die Ressourcen und das Wissen der Luft- und Raumfahrtgiganten fehlten, fragte ich mich auch, warum ich scheinbar Designs erfinden konnte, die auf den ersten Blick den ihren weit überlegen erschienen. Ich dachte, ich hätte Winglets unten kalt.

Dann ging ich zu Boeing und fing an, mit den Aerodynamikern zu sprechen. Ich habe ein Studium der Luftfahrt begonnen. Es stellt sich, wenig überraschend, heraus, dass man aus Lehrbüchern und öffentlich zugänglichen Daten nicht viel herausholen kann. Während ich hier natürlich nicht erschöpfend sein kann – und Ihre Frage wahrscheinlich nicht einmal buchstabengetreu beantworten werde – kann ich Ihnen ein paar Dinge zum Nachdenken geben. Um es klar zu sagen, ich würde mit Ihrer Modellierung und Simulation nicht viel weiter gehen als Sie, aber wenn Sie einige Diskussionspunkte für Ihr Papier haben möchten, hier sind einige in keiner bestimmten Reihenfolge. Ich habe einige Annahmen über Ihren Wissensstand getroffen, also verzeihen Sie mir bitte, wenn es herablassend ist, und fragen Sie mich, wenn Sie eine Klärung benötigen.

Die Wiedergabetreue Ihres Basismodells

Die Winglets ... waren die der 737MAX ... Der Flügel ist der gleiche wie der einer 737NG.

Auf welchen Daten basieren Sie Ihr Modell? Der Flügel einer 737 besteht nicht nur aus einem Tragflächenprofil, einer gewissen Verjüngung und einer gewissen Verdrehung. Mir ist aufgefallen, dass Sie keine Gondeln/Pylonen oder Klappenverkleidungen aufgenommen haben. Das Design eines Produktions-Winglets ist stark an die Integration des gesamten Flügeldesigns gebunden, einschließlich aller zusätzlichen Komponenten, die davon abhängen.

Der Grund, warum die 737 MAX Winglets effektiv sind

Die 737 MAX verwendet das sogenannte Advanced Technology (AT) Winglet. Wir wissen, dass eine gut gestaltete Flügelverlängerung aerodynamisch effizienter ist als ein Winglet . Aber die Spannweite der 737 muss innerhalb gewisser Grenzen bleiben, um mit der gleichen Bodeninfrastruktur wie frühere Modelle zu operieren, daher ist ein Winglet eine gute Lösung. Aber was wäre, wenn wir ein bisschen von beidem haben könnten? Nun, das AT Winglet macht genau das :

Das untere Winglet ist so konfiguriert, dass eine Aufwärtsauslenkung des Flügels unter einer Flugbelastung von etwa 1 g bewirkt, dass sich das untere Winglet aus der statischen Position in eine Flugposition nach oben und außen bewegt, was zu einer effektiven Spannweitenvergrößerung des Flügels führt.

Um die Effizienz des AT-Winglets wirklich zu verstehen, müssten Sie diese abgelenkte Geometrie modellieren.

Der andere Faktor, der zur Effektivität des AT-Winglets beiträgt, ist seine natürliche laminare Strömung :

Bei früheren Winglets ist der Luftwiderstand aufgrund der Reibung des Luftstroms über dem Winglet einer der Haupthindernisse für einen effizienten Luftstrom … dies wird von Boeing durch detailliertes Design, Oberflächenmaterialien und Beschichtungen gelöst, die einen laminaren – oder glatteren – Luftstrom ermöglichen das Flügelchen.

Das Strömungsregime, das Sie modellieren

Die AT-Winglets sind am effektivsten, da ihre Effizienz über lange Reisestrecken mit hoher Geschwindigkeit und großer Höhe aggregiert wird. Alles, was Sie angegeben haben, ist eine wahre Fluggeschwindigkeit, aber für diese Art der Analyse von Transportflugzeugen ist die Machzahl viel wichtiger. Sie haben keine Lufttemperatur angegeben, aber aufgrund der angegebenen Dichte sieht es so aus, als ob sich diese Simulation auf Meereshöhe befindet, was bedeutet, dass Ihre Machzahl nicht hoch genug ist. Aber dies könnte tatsächlich Ihre Ergebnisse teilweise erklären. Beobachten Sie die Widerstandskurve : Im Allgemeinen reduziert ein Spiroid-Winglet wie Ihres den induzierten Widerstand auf Kosten eines gewissen parasitären Widerstands. Wie Sie sehen können, können wir uns bei niedrigeren Geschwindigkeiten einen zusätzlichen parasitären Widerstand leisten, da der induzierte Widerstand dominiert.

Wenn ich einen Vorschlag machen müsste, wäre es, Ihre Simulation mit einer realistischen Machzahl (etwa 0,8) auszuführen und zu sehen, was passiert. Aber Vorsicht...

Die Einschränkungen Ihrer CFD-Software

Wir kommen an den Punkt, an dem CFD bei guter Implementierung recht gut für die Modellierung der Flugzeugleistung im Reiseflug geeignet ist. Ein Großteil der Windkanaltests für große Flugzeuge konzentriert sich heutzutage auf Hochauftriebs- und Manövrierbedingungen, bei denen CFD viel kürzer ist. Natürlich wollen wir unseren CFD im Windkanal immer für alle Flugbedingungen validieren, aber für gut verstandene Konfigurationen im Reiseflug passen die Ergebnisse oft gut zusammen, um die Gesamtleistung zu berechnen. Aber der Vorbehalt „bei guter Umsetzung“ ist entscheidend. Ich persönlich habe keine Erfahrung mit SOLIDWORKS Flow Simulation, aber es sieht so aus, als wäre es als Allzweck-CFD-Software konzipiert, daher würde ich seinen Ergebnissen bei großen, komplexen Hochgeschwindigkeitssimulationen wie den erforderlichen nicht zu sehr vertrauen für diese Analyse.

Insbesondere gibt es das Problem der Turbulenzen. Nicht im Sinne von instabiler Luft, die ein Flugzeug herumwirbelt, sondern im Sinne von chaotischer Strömung über die Flugzeugoberfläche. So chaotisch, dass kein Computer der Welt die Bewegung mit ausreichend kurzer Rechenzeit genau modellieren kann. Stattdessen verwenden wir Turbulenzmodelle, die versuchen, das Geschehen auf eine Weise anzunähern, die schnell genug gelöst werden kann. SOLIDWORKS verwendet das k-Epsilon-Modell , das für Allzwecksoftware beliebt ist, hier jedoch möglicherweise nicht die beste Wahl ist. Insbesondere bemerkt Wilcox ,

Selbst die nachweisbare Unzulänglichkeit des [k-Epsilon]-Modells für Strömungen mit ungünstigem Druckgradienten hat wenig dazu beigetragen, seine weit verbreitete Verwendung zu entmutigen.

Da Strömungen über Tragflächen ziemlich von ungünstigen Druckgradienten beeinflusst werden, würde ich Vorsicht walten lassen. Ich kann Ihnen sagen, dass Boeing das Spalart-Allmaras-Turbulenzmodell in Verbindung mit der Detached-Eddy-Simulation (Spalart ist ein Angestellter) gut nutzt . Die Auswahl der richtigen CFD-Implementierung für ein bestimmtes Problem ist jedoch ein nuancierter Prozess, der viel Urteilsvermögen und Sorgfalt erfordert.

Die erste Möglichkeit besteht darin, dass das CFD in Ihrem CAD nicht so ausgereift ist wie die von den Ingenieuren von Boeing verwendete Software. Das bedeutet, dass Ihr Design Fehler aufweisen kann, die in Ihrer Software nicht auftauchen, aber in der von Boeing (oder nicht einmal darin, aber in einem Windkanal).

Zweitens habe ich gesehen, dass nur eine Flugkonfiguration getestet wurde. Flugzeuge können mehr als nur in großer Höhe fliegen, und die Winglets müssen unter allen Bedingungen gut sein. Sie dürfen insbesondere das Stall- und Trudelverhalten nicht negativ beeinflussen.

Ihre Winglets sehen irgendwie dünn aus und ich würde mir Sorgen machen, dass sie abgerissen oder bei turbulenten Bedingungen verformt werden. Diese Deformitäten würden sich auf ihre Leistung auswirken, möglicherweise zum Schlechteren.

Erstmal tolle Analyse! Ich bin kein Experte für Aerodynamik, aber nach meinem wenigen Wissen sind Flugzeuge ein Kompromiss. Wenn Sie ein Flugzeug entwerfen, müssen Sie Formen herstellen, die herstellbar sind, nicht zu viel kosten und stark sind (und den Vorschriften entsprechen). Zu guter Letzt müssen Sie den Widerstand über mehrere Flugphasen und in mehreren Konfigurationen (Flaps/Slats) testen, nicht nur im Reiseflug, und analysieren, wie sich dieses neue Design auf den Auftrieb auswirkt. Außerdem weiß ich nicht, wie genau Solidworks CFD ist: Bedenken Sie, dass der Windkanal immer noch verwendet wird, weil CFD nicht perfekt genau ist.

Eines habe ich vergessen: Strukturen haben ein Gewicht. Wenn Sie für eine komplexe Form stärkeres Material verwenden müssen, hat das Flugzeug ein höheres Gewicht, das Ihre Luftwiderstandsgewinne aufhebt. Was ist der Unterschied im Luftwiderstand zwischen keinem Winglet und B737 MAX Winglet?

Während alle anderen angesprochenen Punkte gültig sind, ist es auch wichtig, zu den Grundlagen zurückzukehren und zunächst zu verstehen, was Winglets eigentlich tun sollen und was die Leistung eines Flugzeugs antreibt:

Winglets reduzieren nicht den „Profilwiderstand“ oder die Widerstandskraft, die vorhanden ist, wenn kein Auftrieb erzeugt wird. Sie werden höchstwahrscheinlich den Profilwiderstand leicht erhöhen. Wenn Ihre Verringerung des Luftwiderstands von einer Verringerung des Profilwiderstands herrührt, ist dies sofort verdächtig und grenzt an den Wahnsinn einer Perpetuum-Motion-Maschine. Winglets reduzieren im Allgemeinen den "induzierten Widerstand", der der Teil Ihrer gesamten Widerstandskraft ist, der erzeugt wird, wenn der Flügel beginnt, Auftrieb zu erzeugen. Wie viel induzierter Widerstand erzeugt wird, hängt von der Effizienz des Flügels und seiner Spannweite oder einer „effektiven Spannweite“ ab, die durch Multiplizieren der physikalischen Spannweite mit der Effizienz des Flügels berechnet wird. Winglets sollen die "effektive Spannweite" des Flügels erhöhen, ohne die physikalischen Spannweitenbeschränkungen zu überschreiten. Dies bedeutet, dass die Verringerung des Luftwiderstands umso höher ist, je mehr Auftrieb Sie erzeugen müssen oder je höher Ihr Anstellwinkel ist. Da große Verkehrsflugzeuge typischerweise für wenige Hauptflugbedingungen bei relativ niedrigen Anstellwinkeln ausgelegt sind, beanspruchen sie typischerweise Verbesserungen in der Größenordnung von 2–4 % der Treibstoffeffizienz durch das Hinzufügen von Winglets.

Es ist wichtig, Luftwiderstandswerte bei gleichen Auftriebswerten zu vergleichen, anstatt bei gleichen Anstellwinkeln. Bei einem bestimmten Anstellwinkel können Winglets effektiv sein, indem sie entweder den Luftwiderstand verringern oder den Auftrieb erhöhen (normalerweise durch ein geringfügiges Erhöhen der physischen Spannweite) oder beides. Der wichtige Leistungsparameter, den Sie aufzeichnen sollten, ist die Widerstandspolare, bei der der Auftrieb gegen den Luftwiderstand aufgetragen wird. Ein Flugzeug fliegt in jedem Anstellwinkel, der erforderlich ist, um 1 g aufrechtzuerhalten, was von seinem Gewicht und seinen Auftriebseigenschaften abhängt. Der Anstellwinkel hat zwar große Auswirkungen auf das Design, steigert aber nicht die Leistung. Wenn Sie verschiedene Konfigurationen vergleichen, verraten Ihnen die überlagerten Widerstandspolaren alles, was Sie wissen müssen, einschließlich der Unterschiede der Profilwiderstandswerte. Sie sollten Ihre Simulationen mit unterschiedlichen Anstellwinkeln durchführen und die resultierenden Auftriebskoeffizienten gegen die resultierenden Widerstandskoeffizienten auftragen. Eine schnelle Überprüfung des Falls, den Sie bereits gefahren sind, wäre sicherzustellen, dass Ihre drastische Verringerung des Luftwiderstands nicht von einer drastischen Verringerung des Auftriebs begleitet wird. Da sich Ihre Hauptauftriebsfläche nicht geändert hat, sollte dies nicht der Fall sein.

Alles, was alle anderen über die gelegentlichen Unzulänglichkeiten von cfd sagen, insbesondere von „schnellen und einfachen“ Lösungen, die in CAD-Pakete integriert sind, ist wahr, aber ich würde dennoch keinen so drastischen Unterschied zwischen zwei relativ ähnlichen Konfigurationen erwarten, die auf derselben Software ausgeführt werden. Ich würde sicherstellen, dass absolut alles andere in den Simulationen der verschiedenen Konfigurationen gleich ist, die Änderungen beim Ziehen und Heben des Profils überprüfen und eine Flussvisualisierung durchführen, um zu versuchen und zu verstehen, was in der Simulation passiert, um den Abfall zu verursachen. Dann würde ich prüfen, ob das gleiche bei einer höheren Machzahl passiert. Idealerweise möchten Sie andere Softwarepakete überprüfen, aber ich verstehe, dass dies möglicherweise nicht möglich ist und den Rahmen Ihres Aufsatzes sprengen könnte.

Ich würde sagen, das Wichtigste ist, dass das Computermodell mit Windkanalergebnissen validiert werden muss. Wie jeder, der mit der Klimadebatte wirklich vertraut ist, weiß, weichen Computermodelle, die versuchen, extrem komplexe Phänomene zu simulieren, oft irgendwann von der Realität ab, und Sie müssen immer noch in der realen Welt testen, um das Modell zu validieren oder zu falsifizieren, um es wirklich herauszufinden.

Ich würde wetten, dass Ihre Version gut funktioniert, weil die Modellierung einige subtile Effekte nicht reproduzieren kann, und dass Sie enttäuscht wären, wenn Sie sie in einem Windkanal testen würden.

Die strukturelle Analyse ist ein bisschen ähnlich. Die computergestützte Finite-Elemente-Analyse, die für die Struktur für Kraft und Ausdauer durchgeführt wird, hat ihre eigenen Grenzen und muss noch mit einem Lauf in einem Ausdauerprüfstand validiert werden, und sehr oft sind die Vorhersagen des Computers falsch. Aus diesem Grund ist es wichtig, die strukturellen Belastungsprüfungen so früh wie möglich im Produktionsprogramm abzuschließen, um die Patches zu minimieren, die im Betrieb durchgeführt werden müssen, wenn Tests unzureichend modellierte Strukturen aufdecken.

Zunächst einmal herzlichen Glückwunsch zu Ihrem „out of the box“-Denken und einem interessanten Konzept!

Die vorherigen Antworten haben viele der wichtigsten Punkte getroffen, also entschuldigen Sie, wenn ich einen davon wiederhole, aber hier sind meine ersten Kommentare:

1. Alle Flügelspitzenvorrichtungen (oder Verlängerungen) reduzieren den durch Auftrieb verursachten Widerstand. Die Betriebsbedingungen wirken sich stark auf die Menge des vorhandenen induzierten Widerstands aus. Es besteht eine quadratische Beziehung zwischen dem induzierten Luftwiderstand und dem Auftriebsbeiwert (CDi=CL^2/PI*AR). Daher ist es wichtig, die Leistung Ihrer Flügelspitze über einen repräsentativen Umschlag zu charakterisieren. Bei niedrigen CLs wird es einen Übergangspunkt geben, an dem Ihre Flügelspitze aufgrund von Viskositätsverlusten und Formwiderstand einen Nachteil erzeugt.

2. Der Betrieb der CFD-Analyse im Delta-Modus erfordert eine gute Darstellung des Basisflugzeugs. Ich schlage vor, dass Sie Ihre Modellierungsmethodik an einem repräsentativen Common Research Model (CRM) testen, das über Windkanaldaten zur Validierung verfügt. Die Drag Prediction Workshops sind dafür nützlich ( https://aiaa-dpw.larc.nasa.gov/Workshop4/workshop4.html ) Sie liefern Geometrie, Gitter, Windkanaldaten und Sie können die Verbreitung von CFD-Vorhersagen anderer Parteien sehen. Wenn Sie keine vernünftigen Zahlen für die Baseline erhalten können, wissen Sie, dass Ihr Ansatz überarbeitet werden muss.

3. Ihr Vergleich sollte bei Lift-Matched-Bedingungen durchgeführt werden, nicht bei Alpha-Matching. Dies kann erreicht werden, indem Sie entweder einen Alpha-Sweep für beide Modelle durchführen und interpolieren, oder Sie können je nach Solver Alpha fließen lassen und einen festen CL festlegen (das ist, was wir tun).

4. Der Nachteil des Flügelwurzel-Biegemoments ist ebenfalls eine wichtige Überlegung, da die zusätzlichen Belastungen durch eine Flügelspitzenverlängerung normalerweise eine zusätzliche Verstärkung des Holms erfordern, was wiederum Gewicht hinzufügt und Ihre Leistungssteigerung beeinträchtigt.

5. Eine weitere Überlegung ist das zusätzliche Nickmoment, das von Ihrem Flügelspitzengerät erzeugt wird. Da die Spitze Auftrieb erzeugt und sich hinter dem Schwerpunkt des Flugzeugs befindet, entsteht ein zusätzliches Absenkmoment. Dies muss durch die horizontale Heckflosse herausgetrimmt werden, was zu einem zusätzlichen Luftwiderstandsnachteil führt, der wiederum Ihren Leistungsgewinn verringert.

6. Die aerodynamische Effizienz wird normalerweise in Bezug auf das Auftriebs-/Widerstandsverhältnis angegeben. Ich habe anhand Ihrer Modellbilder festgestellt, dass Sie nur die Tragfläche und den Rumpf simulieren, was in Ordnung ist, aber für die L / D-Berechnung sollten Sie die fehlenden Komponenten berücksichtigen: Höhenleitwerk, Seitenleitwerk, Triebwerksgondeln, Triebwerksmasten. Da die Berechnung des Auftriebs über dem Widerstand eine Division über dem Widerstand erfordert, ist diese Operation nicht linear. Die Theorie des flachen Plattenwiderstands kann zum Abschätzen des Widerstandsbeitrags fehlender Komponenten verwendet werden. Dadurch wird die Leistungsanalyse repräsentativer für eine vollständige Flugzeugkonfiguration.

7. Fahreigenschaften sind ebenfalls ein wichtiger Bereich, der berücksichtigt werden muss, zum Beispiel: Buffeting, Stallverhalten, Gierverhalten usw. Das ist ein sehr großer Bereich, auf den ich eingehen muss, also werde ich nicht darauf eingehen!

Wie auch immer, Sie können aus der obigen kurzen Liste ersehen, dass es viele Überlegungen gibt, die für eine brauchbare Wingtip-Technologie berücksichtigt werden müssen.

Ich hoffe, das hilft, macht weiter so!