Formatie vliegen



  • Beste lezer,

    In het blad van the Society of Aerospace Engineering Leonardo times zag ik een bericht over zogenaamde formatievluchten en de bijbehorende voordelen zoals brandstofbesparing.
    Ik vind dit een leuk onderwerp (ook omdat het bij mijn weten niet zo vaak gebruikt wordt) voor mijn PWS. Misschien is een onderzoeksvraag als: "Wat zijn de voordelen van formatievliegen bij civiele airliners?"

    Ook dacht ik als praktisch onderzoek aan een opstelling van modelvliegtuigjes in een windtunnel (we hebben een kleintje op school) die je in formatie kan zetten om zo met behulp van een Newton meter of zo te bekijken of de vortex van de vliegtuigvleugels ook echt bijdraagt aan minder weerstand en dus brandstofbesparing.
    Is dit met zo'n opstelling op deze schaal te meten?

    Bram



  • Hey Bram,

    Naar mijn weten wordt er op dit moment nog geen gebruik gemaakt van formatie vliegen om brandstof te besparen. Dit is trouwens wel iets wat vogels al doen, net zoals het vliegen het vlak boven het water (het zogenaamde ground effect).

    Ik weet niet zeker of het met jouw wiskunde en natuurkunde kennis al mogelijk is om aan te tonen waarom het zou werken en ook om hier een computer model van te maken lijkt me lastig. Je zou dus inderdaad een experiment moeten gaan bedenken waarbij je een soortgelijk effect aantoont. Of dat kan of niet kan ik nu niet bedenken, daar zouden we samen over na moeten denken.

    Al in al weet ik dus niet of je met jouw vraag wel voldoende materiaal/resultaten kunt verzamelen voor een PWS, daarom is het misschien een idee om ook het grond effect er in mee te nemen en de vraag zo te stellen:

    Welke hulpmiddelen gebruiken vogels om efficiënter te kunnen vliegen en kunnen deze toegepast worden in de commerciele luchtvaart?

    Groet, Hubert



  • Hey Hubert,

    Ik heb al contact gehad met iemand van de TU Delft die in 2010 een prijs-winnend onderzoek onderzoek heeft gedaan naar formatie vliegen met airliners. Hij heeft veel informatie opgestuurd en ik denk dat ik het principe begrijp:

    Omdat door de vortex van de vleugel van de "leading" aircraft de vectoren Lift en luchtweerstand iets kantelen ontstaat er minder geïnduceerde weerstand waardoor de snelheid omhoog gaat. Hierdoor wordt er meer lift gecreëerd. Om brandstof te besparen kan dan de AoA worden verkleint waardoor de motoren in principe minder voortstuwing hoeven te leveren en dus brandstof besparen.

    Nu is mijn vraag of ik met behulp van een een windtunnel en enkele vleugelprofielen op weegschalen (om zo het verschil in lift aan te kunnen tonen) kan aantonen dat er inderdaad meer lift wordt geproduceerd en dus minder brandstof nodig is.

    Is dit inderdaad zo aan te tonen en klopt mijn beredenering?

    Groet,

    Bram



  • Hey Bram,

    Je beredenering klopt. Ik denk dat we misschien wel iets kunnen verzinnen om wat te testen. Enige risico is dat de het verschil door het effect dusdanig klein is dat het met een simpele proef niet zichtbaar wordt. Heeft jouw bron een voorspelling gemaakt om hoeveel procent verschil in lift het gaat?

    Is het een idee om de workshop bij te wonen die ik 26 September geef? Dan zou je ook gelijk kunnen kijken hoe de opstelling er uit zien en dan kunnen we samen bedenken of je een opstelling kunt bouwen om het effect aan te tonen?

    Over de vraag van rook; in principe wordt er weinig met rook gedaan aangezien dat stroming visualiseert. Onderzoek in windtunnels hebben bijna altijd als doel om een effect kwantificeerbaar te maken, dus iets te meten. Hoe lucht stroomt (om een voorwerp) is niet meetbaar, krachten en momenten wel, deze worden wel gemeten. Dus in de windtunnel die wij gebruiken is geen rook apparatuur geïnstalleerd. Maar mocht je dat wel willen, zou je een rookmachine voor een discotheek kunnen gebruiken. Deze zijn vast verkrijgbaar via marktplaats.

    Groet, Hubert



  • PS: Wat voor soort rook gebruikt de TU in de windtunnel?

    Bram



  • Goed idee!

    Ik las in de beschrijving dat er ook wat wordt verteld over wervels de 26ste en dat is altijd handig!
    Ik neem je aanbod van het bedenken van de opstelling graag aan en ik zal even op school kijken wat er überhaupt mogelijk is op school!

    Ik hoop dat ik vrij krijg maar ik denk het wel!

    Groet,
    Bram



  • Heey Hubert,

    Ja zal ik doen, wordt wel sjouwen :P

    Bram



  • Hey Bram!

    Kun je alle informatie mee nemen die je hebt? Groet, Hubert



  • Beste Hubert,

    Ik heb met jouw informatie in het achterhoofd nog eens even mijn bronnen door gelezen maar er viel mij wat op:

    In mijn bron staat het volgende:

    When the wing of an aircraft is positioned correctly in the trailing vortex of its predecessor, the induced drag can be reduced. This reduction of induced drag is caused by two phenomena:

     Rotation of the direction of incoming air for the wing
     Increased speed of the incoming for the wing

    The rotation of the direction of the incoming air also rotates the drag and lift vector of the wing, which respectively are perpendicular and parallel to the direction vector of the incoming air of the wing. Since both the drag and lift vector are rotated a new system of forces emerges which has the effect that if the forces are decompesed in the direction perpendicular and parallel to the flight direction the induced drag is decreased in size. A side effect is that due to this rotation the lift has decreased slightly.???? Waarom???? The increase in speed of the incoming air is also due to the induced velocity field of the vortices. The velocity component that is added to the flight velocity, causes the speed of the air to rise. This in turn causes that the lift is increased. Since the increase in lift is larger due to the speeding up of the air than the decrease due to the rotation of the direction, overall more lift is generated by the wing. Herefore the aircraft can decrease its angle of attack, since the lift can be reduced as well to balance the weight of the aircraft. This in turn causes the lift induced drag to be reduced as well, adding to the overall drag reduction.

    Als ik het goed heb dan is vooral de grotere snelheid van de lucht van belang voor de Drag-reduction en extra lift en niet zozeer de "Gratis" vergrootte Angle of attack. Ik vroeg me af of dit klopt en of dit van invloed is op de opstelling die wij besproken hadden. Ook heb ik ergens halverwege wat vraagtekens en Waarom getypt na een bepaalde zin. Ik snap niet waarom de liftvector kleiner wordt als de lift-vector veranderd.

    In Anderson staat dat de lift-coëfficiënt niet alleen afhankelijk is van de AoA maar ook van Reynolds number en het Machnumber. Ik vroeg me af wat deze laatste twee waren en of ze van invloed zijn op een eventuele vergroting van de snelheid van de aanstromende luchtstroom.

    Ik weet dat de lift aan het eind van de vleugel kleiner is en dit komt dan door de kleinere Lc?

    In Anderson staat ook dat de lift-component loodrecht op de aanstromende luchtstroom staat maar als deze laatste van onderen komt kantelt deze component ook naar voren? Mijn gevoel zegt dat dat raar is omdat de zwaartekracht wel recht naar beneden is!

    Ik hoop dat het verhaal niet te lang is!

    Bram



  • Hey Bram,

    Dan zou ik dat mee nemen wat voor mij relevant is... Groet, Hubert



  • Hey Bram,

    Zou je me de bron kunnen aangeven waar je dit vandaan heb? Volgens klopt het niet helemaal, maar ik denk dat het afhankelijk is hoe je de richting van lift en drag definieert....

    Hier wat opmerkingen op je vragen:

    [quote]The rotation of the direction of the incoming air also rotates the drag and lift vector of the wing, which respectively are perpendicular and parallel to the direction vector of the incoming air of the wing. Since both the drag and lift vector are rotated a new system of forces emerges which has the effect that if the forces are decompesed in the direction perpendicular and parallel to the flight direction the induced drag is decreased in size. A side effect is that due to this rotation the lift has decreased slightly.???? Waarom????[/quote]

    Ik heb net een interessant artikel gevonden waar ze de basis van het formatie vliegen volgens mij voldoende begrijpelijk uitleggen. Als je naar pagina 3 gaat, zie je het diagram waar ze het effect toelichten. De geïnduceerde snelheid w is een component in verticale richting die er voor zorgt dat de snelheidsvector kantelt en toeneemt, zie plaatje links. Als je de vleugelhoek (pitch) laat staan, dus dat de vleugel ten opzichte van de aarde (nog) zijn oriëntatie behoudt, dan zie je dat de invalshoek en windsnelheid is veranderd. Vanuit een aërodynamisch oogpunt, zijn lift en drag per definitie parallel en loodrecht op de snelheidsvector. Daarom kantelen deze naar voren zoals beschreven in het rechter diagram. Ik heb zelf ook een plaat gemaakt: link. Ik noem de nieuwe lift en drag L' en D'. Nu komt de clue: omdat je nog steeds horizontaal wil vliegen, wil je de L' en D' weer ontbinden en in vliegrichting uitlijnen. In mijn plaat zijn dat Lv', Lh' en Dv' en Dh'. Als je hier naar kijkt zie je inderdaad dat Lh' kleiner is dan L. (de antwoord op jouw waarom vraag). Maar hier komt de clue: De nieuwe L bestaat uit de verticale component van L' en D' en de nieuwe D bestaat uit de horizontale component van de twee. Bij elkaar opgeteld krijg je een kleinere D en een grotere L. Dit heb ik ook voor je berekend, zie deze plaat: link. Ik heb de small angle approximation toegepast. Dit is een methode waarbij je van sinus en cosinus probeert af te komen. Dat mag bij kleine hoeken.

    [quote]Als ik het goed heb dan is vooral de grotere snelheid van de lucht van belang voor de Drag-reduction en extra lift en niet zozeer de "Gratis" vergrootte Angle of attack. Ik vroeg me af of dit klopt en of dit van invloed is op de opstelling die wij besproken hadden. Ook heb ik ergens halverwege wat vraagtekens en Waarom getypt na een bepaalde zin. Ik snap niet waarom de liftvector kleiner wordt als de lift-vector veranderd.[/quote]
    Dit zou nu ook duidelijk moeten zijn.

    [quote]In Anderson staat dat de lift-coëfficiënt niet alleen afhankelijk is van de AoA maar ook van Reynolds number en het Machnumber. Ik vroeg me af wat deze laatste twee waren en of ze van invloed zijn op een eventuele vergroting van de snelheid van de aanstromende luchtstroom.[/quote]
    Dat klopt. Het Mach nummer geeft de snelheid ten opzichte van de geluidssnelheid aan. Aangezien je niet in Temperatuur of dichtheid gaat variëren, is daar geen verandering in. Ook is dat pas van belang bij 300 km/h en meer, dus voor jou ook niet echt relevant.
    Het reynolds getal is inderdaad wel belangrijk, dit getal relateert de stroperigheid van de stroming aan de dimensies van windtunnel en test object. Ik zou me hier een klein beetje in verdiepen, maar ik zou er niet te diep op in gaan. Waar het op neer komt is dat het Reynolds getal effect heeft op loslating, daarnaast heb je dit getal nodig om je test opstelling zo te bouwen dat je de krachten op het model gelijk kan maken aan de krachten van een echt vliegtuig. Maar dit heb je in jouw geval niet echt nodig om mee te rekenen...

    Is het iets duidelijker geworden? Groet, Hubert



  • Hoi Bram,

    Ik heb het diagram en de herleiding naar de site geüpload, nu zouden de linkjes in mijn post het moeten doen. Laat me weten of je er wat aan hebt en of je het begrijpt.

    Oh ja en over je bron; ik denk zeker dat hij nuttig is, maar vroeg me af of je online versie hebt waar ik naar kan kijken. (dan weet ik de achtergrond van je vragen)

    Groeten,

    Hubert



  • Beste Hubert,

    Bedankt voor alle informatie!
    De bron waar ik die informatie uit heb gevonden komt uit dat prijswinnende onderzoek van de TU Delft van een paar jaar geleden. Het leek me dat dat een betrouwbare bron was.
    Ik denk dat ik veel heb aan je uitleg maar de links in het bericht verwijzen naar dropbox maar daar staat dat er niks in staat. Deleted or moved.

    Nogmaals bedankt,

    Bram



  • Hoi Bram!

    Dank, ik heb hem ontvangen. Laat maar weten als je nog meer vragen wat betreft de theorie. Groet, Hubert



  • Beste Hubert,

    Het is een pdf bestand ik zal hem even mailen!

    Bram



  • Beste Hubert,

    Ik had nog een paar vraagjes verder kom ik er uit:

    Klopt het dat je er in je berekening van uit gaat dat de AoA 0 graden is?

    Hoe ben je precies op een delta-alfa van 5 graden gekomen of heb je die gewoon bedacht?

    Groeten
    Bram



  • Beste Hubert,

    Bedankt voor alle info!
    Ik had nog een andere, algemene vraag.
    Over lift doen een hoop verhalen de ronde op internet. Ik weet onderhand via Anderson en die site die je me gestuurd hebt dat de lucht versneld wordt aan de bovenkant van de vleugel (en niet omdat de bovenkant langer is) enz. Maar ik vroeg me af of de verhalen dat de lucht naar beneden wordt geleid en dat via de derde wet van Newton zo een deel van de lift gecreëerd wordt (actie is -reactie). In Anderson en die site http://www.av8n.com wordt dit principe niet gebruikt en wordt alleen het concept van bernoullie erbij gehaald.
    Ook vroeg ik me af hoe in het model dat in Anderson besproken wordt de invloed van de AoA verwerkt wordt. Is het dan zo dat dan het obstacle effect groter is en dat de lucht dus door een nog smallere luchtstroom moet waardoor het een grotere snelheid moet hebben?

    Ik hoop dat ik mijn vragen duidelijk gesteld heb.

    Groeten,

    Bram



  • Hey Bram,

    Nee, de AoA heeft in dit geval geen invloed op de berekening. De richting van lift en drag onstaan door dat je de resulterende kracht r in vliegrichting ontbindt. In het geval zonder formatie vliegen is w=0 en heb je dus alleen de horizontale 'wind'. Als je goed naar de tekening kijkt zie je dat je profiel wel al een invalshoek heeft ten opzichte van de vliegrichting. Die is in dit geval alfa en heeft dus wel een waarde. Bij stap twee waar je naar de nieuwe situatie kijkt, is de resultante met een waarde delta alfa naar voren gaan kiepen. Dat wil zeggen dat alfa in eerste instantie nul was. Alfa komt uiteindelijk wel degelijk terug in de vergelijkingen, alleen 'zit' deze in L.

    L wordt namelijk gedefinieerd als L = 1/2 * rho * v^2 * Cl * S. Tijdens de workshop hebben we gezien dat Cl afhankelijk is van Cl, dus eigenlijk is Cl een functie val alfa. Maar het belangrijkste hier is dat je L niet perse wil berekenen, want je wil eigenlijk alleen kijken of een richtingsverandering van de wind (dus dat w een waarde krijgt) invloed heeft op L, dus je bent op zoek naar een verandering. Bijvoorbeeld of L nou 200 N is of 400 N maakt in die zin niet zo veel uit. Je wil kijken of L in de nieuwe situatie is toegenomen of afgenomen en je bent benieuwd of je dit kan kwantificeren. Met da aannames die ik heb gemaakt (small angle approximatief) kun je een relatie vinden tussen nieuwe en oude L, namelijk hebben we dat gedaan met trigonometrie (stap 3). Daar hebben we alle krachten weer opnieuw ontbonden. In stap 4 hebben we het verschil kunnen herleiden en daar zie je dat delta alfa een effect heeft op lift en drag.

    Om een lang verhaal kort te maken: Alfa kan nul zijn, maar dat hoeft niet (ook bij nul graden alfa kan een profiel al lift creëren).

    Over je tweede vraag: Dat had ik gewoon bedacht. In de natuurkunde probeer je meestal alles te herleiden met formules (dus alles alfa-numerisch, oftewel met letters) en aan het einde vul je getallen in om een indruk te krijgen om 'hoeveel' het gaat. Eigenlijk had ik dus L en D en alle andere variabelen ook een waarde moeten geven, maar dat heb ik dus niet gedaan. Dus het geven van een waarde in dit geval was eigenlijk een beetje nutteloos.

    Groet, Hubert



  • Bedankt Hubert,

    Ik heb mijn PWS af en veel geleerd van je workshop en aanvullingen op het forum!

    Groeten,
    Bram



  • Hoi Bram,

    Wat je eerste vraag betreft: Het principe van Bernoulli is eigenlijk een redelijke begrijpelijke manier om het lift effect uit te leggen. Je moet het zien als een model. Modellen zijn gemaakt om de werkelijkheid te versimpelen zodat je er mee kunt werken. Om de werkelijkheid te versimpelen moet je aannames maken. Bij Bernoulli is een van de aannames dat de lucht bij de staart van het profiel tegelijkertijd bij elkaar komt, dat is niet helemaal waar, de lucht aan de bovenkant wordt een klein beetje vertraagd.

    Een nauwkeuriger model is inderdaad het principe van de derde wet van Newton. Het probleem daarbij is alleen dat je er niet mee kunt rekenen. Je moet namelijk het verticale moment van lucht veroorzaakt door het profiel zien te extraheren. Met wat calculus en wat CFD (computational fluid dynamics) programma's lukt dat wel. Dit is alleen op jouw niveau uitdagend. Als je interesse en tijd hebt zou je wel eens naar het programma x-foil kunnen kijken.

    Wat de website betreft, lees toch hoofdstuk 3 nog even door, daar wordt het volgens mij wel goed uitgelegd.

    Over je tweede vraag; zou je de pagina willen refereren, dan kan ik er zelf ook even naar kijken.

    Cheers, Hubert



  • Hey Bram!

    Gefeliciteerd, vond het leuk je te helpen! Cool ook om te zien dat je niet bang bent voor theorie! Ik ben trouwens benieuwd naar het eindresultaat, dus als je't leuk vindt mag je het PWS graag naar me mailen. Succes met de examens. Groet, Hubert


Aanmelden om te reageren
 

Het lijkt erop dat je verbinding naar Forum verloren is gegaan, wacht even terwijl we de verbinding proberen te herstellen.