Vergleich für Flügelprofile
Unterschiedliche Profile
Ursprünglich sollte das Modell entweder mit einem RG15 oder einem HQ-DS 1.75/8 ausgelegt werden. Die ersten Analysen haben deutliche Vorteile des RG15 gegenüber dem HQ-DS-Profil aufgezeigt insbesondere für tiefe und mittlere Re-Zahlbereiche.
Unabhängig von diesen Ergebnissen sollen nun basierend auf den gewonnen Erkenntnisse der Betriebspunkte mit dem RG15 noch die Profile: HN 350, HN 1054 und das MH30 für den Flügel beurteilt werden. Beim Leitwerk soll das HT14 und das S8025 gegen das gewählte E485-7.53 verglichen werden.
Die Auflistung der Profile erfolgte einerseits durch die Funktion in Profili 2, ähnliche Profile zu finden, und andererseits durch die Nennung der Profile im Zusammenhang mit schnellen Hangfliegern in der Grössenordnung 2 .. 3 m Spannweite und geringer Flügeltiefe.
Profil-Wölbung und -Dickenrücklage
Nachfolgend werden die nativen Profile aufgeführt. Im Vergleich wurde aber schnell erkannt, dass die unterschiedlichen Profildicken zu unterschiedlichen Widerstandsverhalten und somit zu einem "unfairen" Vergleich führen. Da die Festigkeitsberechnung und die Ballastierung bereits von einem Flächenverbinder mit 12 mm Höhe ausgeht. Werden in einem Folgeschritt die Profile modifiziert auf eine Dicke die Vergleichbar zum nativen RG15 ist.
Die Nachfolgende Tabelle fasst die initialen Vergleichswerte zusammen:
Druckverteilung und Hüllkurve
In XFLR5 wurde nun ein Arbeitspunkt simuliert bei eine niedrigen Re-Zahl von Re = 50'000 und einem Anstellwinkel a = 4°, das in etwa dem Zustand des maximalen Auftriebs Camax entspricht. Die nachfolgenden Druckverteilungen (viscos betrachtet) sind immer referenziert zum RG15 und weiter ist die Hüllkurve für das jeweilige Profil abgebildet.
Abbildung 141: Druckverteilung HN 1054
Abbildung 142: Druckverteilung HN 350
Abbildung 143: Druckverteilung MG06
Abbildung 144: Druckverteilung MH30
Abbildung 145: Druckverteilung RG15
Abbildung 146: Druckverteilung HQ-DS1.75/8
Die Druckverteilung der Profile HN 350, HN 1054, MH30 sind dem RG15 sehr ähnlich. Formähnlich ist auch die Druckverteilung des MG06, wobei hier der Abriss auf der Unterseite bei 60%, statt wie beim RG15 bei 80%. Ganz anders verläuft hingegen die Druckverteilung beim HQ-DS1.75/8. Hier sind durchgehend geringere Werte und insbesondere an der Endleiste ein positiver Druckanstieg zu vermerken.
Profil-Widerstandsbetrachtung
Analog zu der Druckverteilung wurden für die genannten Profile die Widerstandsbeiwerte cw im Verhältnis zu den Auftriebsbeiwerten ca aufgezeichnet. Dabei wurden die typischen Betriebspunkte im Hangflug betrachtet. Hierzu wurden die Erkenntnisse aus der Flugphasen-Betrachtung einbezogen. Grundsätzlich gilt daher je kleiner der cw-Wert desto besser, wobei für kleine Re-Zahlen auch Auftriebsbeiwerte ca > 0.7 erforderlich sind um Im Randbogenbereich das Abrissverhalten positiv zu beeinflussen.
Wenn ein Widerstandswert eines Profils in einem Arbeitspunkt besser also kleine als derjenige des RG15 ist wird das Delta rot markiert ansonsten grün.
Abbildung 136: Widerstandsvergleich RG15 zu HN 350
Abbildung 137: Widerstandsvergleich RG15 zu HN 1054
Abbildung 138: Widerstandsvergleich RG15 zu MH 30
Abbildung 139: Widerstandsvergleich RG15 zu MG06
Abbildung 140: Widerstandsvergleich RG15 zu HQ-DS1.75/8
In diesem Vergleich zeigen sämtliche Profile bessere Werte als das RG15 mit Ausnahme des HQ-DS1.75/8, welches bei diesen Re-Zahlen deutlich schlechter abschneidet. Vergleicht man aus der Tabelle oben die Profildicke, so scheint dieses Resultat auch nicht weiter zu überraschen. Bei tiefen Re-Zahlen zeigt insbesondere das MG06 deutliche Widerstandsvorteile, währen sich dies ändert für höhere Auftriebswerte.
Die Profile HN 350 und HN 1054 zeigen annähernd die gleichen Werte, wobei ich aufgrund des besseren Auftriebs- zu Widerstandsverhältnis das HN 350 vorziehen würde. Dies ist auch das einzige Profil, bei welchem dieses Verhältnis über einen grossen Anstellwinkelbereich besser ist, als beim RG15. Hier liegt der der Fokus auch auf kleinen Anstellwinkeln.
Abbildung 147: Widerstandsvergleich RG15 zu HN 350 bei 8.4% Dicke
Abbildung 148: Druckverteilung RG15 zu HN 350 bei 8.4% Dicke
Hier zeigen sich die Vorteile des HN 350 gegenüber dem RG15 bei derselben Dicke von 8.4% nicht mehr so deutlich. Der Vergleich spielt aber immer noch zu Gunsten des HN 350.
Wird nun in einem zweiten Versuch das HN 350 auf die Dicke des RG15 gebracht, zeigt sich dieser Vorteil immer noch, wobei hier sich hier die Ablösung beim aufgedickten HN 350 nicht so toll entwickelt.
Abbildung 149: Widerstandsvergleich RG15 zu HN 350 bei 8.9% Dicke
Abbildung 150: Druckverteilung RG15 zu HN 350 bei 8.9% Dicke
Aufgrund dieser Profilvergleiche müsste das HN 350 dem RG15 vorgezogen werden. Für das angestrebte Arbeitsspektrum weist es bessere Eckwerte auf, selbst wenn die Dicke angepasst werden muss. Da die Grössenordnung der Verbesserung noch nicht eingeschätzt werden kann, wird ein Modellvergleich mit den zwei Profilen angestrebt.
Performance-Vergleich Modell HN 350-8.9% zu RG15
Der Performance-Vergleich soll die Modellpolaren aufzeigen. Dazu wird ein Modell mit dem Profil HN 350 und 8.9% Profildicke vergleichen bei ähnlichen Klappenstellungen. In diesem Vergleich wird das aufgedickte Profil wird verwendet, aufgrund der mechanischen Auslegung des Flächenverbinders.
Abbildung 151: Performance-Vergleich RG15 zu HN 350-8.9%
Erstaunlich ist bei diesem Vergleich, dass der Gleitwinkel und das geringste Sinken des Modells mit dem RG15 besser ist, als dasjenige mit dem HN 350-8.9%. Der Leistungsfaktor des Modells ist aber absolut betrachtet beim Modell mit dem HN 350-8.9% aufgrund des geringeren Profilwiderstandes besser.
Da das Modell jedoch über einen relativ grossen Geschwindigkeitsbereich geflogen wird, sind diese punktuellen Betrachtungen der Maxima (bei sehr kleinen Geschwindigkeiten vx = 8.0 .. 10 m/s eher untergeordneter Natur, da sich die wesentlichen Eigenschaften bei der Trimmgeschwindigkeit vTrim = 14.4 ..14.5 m/s nur marginal unterscheiden.
Anpassen der lokalen Profildicke
Die Reduktion des Widerstandes ist also stärker durch die Profildicke, als durch die gewählte Form des Profil beeinflusst. Daher stellt sich nun neu in Frage, ob die Profildicke über den Profilverlauf angepasst werden soll, um ein besseres Auftriebsverhalten am Flügel zu erreichen.
Dabei könnte dem Umstand der Flächenaufnahme berücksichtigt werden, während der Fokus auf der Reduzierung des induzierten Widerstandes über die Spannweite betrachtet würde. - Aktuell wir die die Dicke reduziert, dass im Bereich der Querruderservos keine Aufdickung erfolgen muss. - Vorgesehen sind hier Futaba S3150 mit 11 mm Dicke.
Entsprechend wird hier ein Vergleich mit Profilanpassung gemacht. Die ersten Tests haben bereits gezeigt, dass das Profil an den Flügelenden nicht mehr das RG15 sein wird, sondern eher ein symmetrisches Profil, welches insbesondere den induzierten Widerstand verringert. Dabei muss allerdings auch auf grosse Anstellwinkel verzichtet werden, da diese symmetrischen Profile nur bis zu einem Auftriebsbeiwert ca von ca. 0.8 gehen.
Ein erster Versuch zielte darauf ab die Profildicke bei der Flächenaufnahme bei 8.92% zu belassen und bei einer Position von 715 mm auf 8% bzw. einer Profildicke von 14.01 mm zu erreichen. Die Anpassung erfolgt linear ab 100 mm, damit die Flächenaufnahme nicht ausgedünnt wird. Anschliessend wird das Profil wiederum linear bis zu einer Halbspannweite von 1100 mm auf 7.35% reduziert. Ab einer Position von 1150 mm wird auf das symmetrische Profil des Leitwerks (E478 - 7.35% gestrakt und bis zur Flügelspitze beibehalten. Die entsprechenden Stützstellen sind in die Excelliste eingetragen. Der Vergleich der Dickenänderung des Flügels ist in nachfolgendem Diagramm gezeigt.
Abbildung 154: Profildickenvergleich
Nun wird der Performance-Vergleich des Modells mit dem kleinen Leitwerks und durchgehender RG15-Profilierung mit einem angepassten Flügel gemäss obiger Beschreibung durchgeführt.
a) Ausgestaltung der Modellgeometrie:
b) Trimm-Geschwindigkeit vTrimm in [m/s]
c) Sinkgeschwindigkeit bei Trimm-Geschwindigkeit: vz(vTrimm) [m/s]
d) Anstellwinkel Flugzeug bei Trimm-Geschwindigkeit: a(vTrimm) [°]
e) Gleitzahl E = Cl/Cd(vTrimm)
f) Modellsinkrate (cw3 / ca2)1/2 bei vTrimm
g) Gleitzahl Emax
h) Modellsinkratemax
i) Leistungssteigerung bezogen auf Gleitzahl bei vTrimm in [%]
Modell 2. mit angepasstem Profil gemäss Excelliste
Modell 2 mit minimalem Profilquerschnitt von 7.35%
Beim Vergleich wurde für die Modelle mit kleinerem Leitwerk der Schwerpunkt xs = 91 mm gewählt, um eine vergleichbare Grundgeschwindigkeit vx zu erreichen.
Abbildung 155: Performance-Vergleich bei Profildickenanpassung
In diesem Vergleich wird bereits deutlich, dass nicht die Maxima relevant sind, sondern die entsprechenden Betriebspunkte. Exemplarisch wurde der Zustand bei Trimmgeschwindigkeit vTrimm verglichen. Hier zeigen sich die Vorteile der entsprechenden Auslegung real. So sind die Leistungsvorteile des dünnen Profils mit 7.35 % Dicke nur für tiefe Geschwindigkeit vx bis 20.6 m/s gegeben. Die Vorteile des adaptierten Profils bleiben bis zu einer Geschwindigkeit vx = 30 m/s erhalten während die Vorteile der Symmetrischen Flügelspitzen auch darüber Bestand haben.
An dieser Stelle wurden auch die Widerstände und die Auftriebsverteilung über die gesamte Spannweite für die oben beschriebene Ausgestaltung der Modellgeometrie bei einem Anstellwinkel a = 3° bzw. bei a = 0° verglichen. Darin wird der Vorteil der symmetrischen Flügelspitzen deutlich erkennbar.
Abbildung 156: Auftriebs- und Widerstandsverteilung über die Spannweite bei kleinem Leitwerk (2)
Abbildung 157: Auftriebs- und Widerstandsverteilung über die Spannweite symmetrischen Flügelspitzen (3)
In den nachfolgenden Tabellen sind die Maximalwerte der jeweiligen Kurven eingetragen
Dieser Vergleich zeigt die Situation gut auf. Die Anpassung der Flügelspitzen (4) auf ein Symmetrisches Profil verringern insbesondere die induzierten Widerstand und somit den Gesamtwiderstand des Modells.
An dieser Stelle drängt sich nun die Frage auf, welche Optimierung bringt welchen Leistungszuwachs. - Bisher wurde eine Spannweitenerhöhung ausser acht gelassen, was nun in einem weiteren Optimierungsschritt untersucht werden soll.
Fazit
Aufgrund der angestellten Profilvergleiche kann nun einen klare Aussage bezüglich Widerstandsverhalten getroffen werden. Der Umstand der festgelegten Dimension des Flächenverbinders limitiert die Wahl der Profildicke im Bereich der Flächenaufnahme.
Aus dem Performance-Vergleich der unterschiedlichen Profile geht hervor, dass durch die Wahl eines anderen Profils keine wesentliche Verbesserung des besten Gleitens oder der minimalen Sinkrate, des geringsten Sinkens oder Leistungswerte des Modell erreicht werden können. Wird jedoch die Profildicke reduziert, so kann ein merkliche Verbesserungen von bis zu 10% erreicht werden. Dies jedoch nur in einem nach oben begrenzten Geschwindigkeitsbereich bis ca. 20 m/s. Darüber fällt die Leistung gegenüber dem nativen RG15 wieder ab.
Eine Ausprägung der Flügelspitzen durch ein symmetrisches Profil verringert den induzierten Widerstand und damit auch den Gesamtwiderstand merklich und bringt alleine 2.5% Leistungssteigerung. Weitere 2.3% werden durch die Verjüngung der Flächendicke von 9.2% an der Wurzel auf 7.35% an der Flügelspitze erreicht.
Der Flügel soll nun basierend auf dem RG15 mit der oben beschrieben Profilanpassung aus der Excelliste umgesetzt werden.