تحليل سينماتيكي مكانيزم بال‌زن با بال‌هاي دو تكه براساس آيروديناميك غيرخطي شبه‌ پايا

Kinematic analysis of articulated flapping wings mechanisms considering nonlinear quasi-steady aerodynamic

دراين مقاله، باهدف محاسبه‌ي نيروهاي آيروديناميكي شبه‌پاياي بال‌زن با بال‌هاي دو تكه به تحليل سينماتيكي مكانيزم بال‌زدن رو به‌ بالا و رو به‌ پايين پرداخته مي‌شود. ابتدا مكانيزم مناسب براي مدل‌سازي پرواز اين پرندگان، با استفاده از الگوي كمپف كه علاوه‌ بر سادگي مكانيزم ازنظر تعداد درجات آزادي، حركت بال‌زدن آنها را كه شامل حركت غير‌هم‌فاز روبه‌بالا و روبه‌پايين هر تكه‌ي بال با پيچيدگي‌هاي مخصوص به‌ خود را نيز شبيه‌سازي مي‌كند، انتخاب مي‌شود. براين‌اساس موقعيت، سرعت و شتاب زاويه‌اي و نيروهاي وارد بر بال داخلي و خارجي به‌صورت تحليلي به‌دست مي‌آيد. درادامه تئوري خط‌ بر آزا كه براي پيش‌بيني توزيع نيروي برآ روي بال سه‌بعدي براساس خط گردابه در مركز آيروديناميكي مقاطع بال استفاده مي‌شود و پيش از اين نيز براي حشرات با بال يك تكه استفاده شده‌است، براي اولين‌بار در اين تحقيق براي پرندگان با بال دو تكه به كار رفته‌است. با كمك اين تئوري، متوسط نيروهاي آيروديناميكي برآ و جلو برنده‌ي يك بال‌ زن با بال دو تكه كه به‌صورت كوپل عمل مي‌كنند، با محاسبه فرو ريزش و قدرت گردابه در هر مقطع و سپس انتگرال گيري روي سطح كل بال، برحسب زمان بدست مي‌آيند. نتايج بدست آمده براي يك بال‌زن با مشخصات مرغ نوروزي با سرعت پرواز 5 متر بر ثانيه و وزن 1 كيلوگرم، نشان مي‌دهد كه هر دو تكه بال در پرواز كروز، براي تامين نيروي برآ برابر با وزن پرنده استفاده مي‌شوند. همچنين بال خارجي بيشترين سهم در توليد نيروي جلو برنده را داراست. نتايج كار حاضر، تطابق خوبي با روش ديناميك سيالات محاسباتي دارد.

In this paper, with the aim of calculating the Quasi-steady aerodynamic forces of articulated wing, a kinematic mechanism model for flapping wings is presented. First of all, the Kempf patent is used for simulating this mechanism, due to its simplicity and proper simulating of the flapping motion of articulated wings. This motion includes not-the-same-phase upstroke and downstroke motion of each part of wing. The angular position, angular velocity, angular acceleration and forces applied to both inner and outer part of the wing are analytically analyzed. Lifting line theory; that predicts the lift distribution of the three-dimensional wings based on the bounded vortex at the aerodynamic center, and is applied for single part wings of insects in the literature; is applied for articulated wings of birds, for the first time, in the present work. The average aerodynamic forces of articulated wing are obtained by calculating downwash and bounded vortex at each wing section and integrating on the wing surface. The results for an Ornithopter like 1kg gull with 5m/s of cruise speed indicate that both parts of the wing provide the lift. In addition, the outer wing has the main role to produce the thrust against the inner wing. The results show good agreement between the present work and the computational fluid dynamics method.