ارزيابي و مقايسه مدل‌هاي مختلف تخمين نيروي چرخشي يك‌بال‌زن در پرواز ايستا با استفاده از روش المان تيغه

Evaluation and Comparison of Different Models for Estimating the Rotational Force of a Hovering Flapping Wing Using the Blade Element Method

در اين پژوهش با استفاده از يك شبيه‌‌سازي شبه پايا توسط روش المان تيغه، سه مدل متفاوت نيروي چرخشي در بررسييك بال الهام گرفته‌شده از حشره ميوه با حركت تركيبي بال‌زدن و پيچش، مورد ارزيابي و مقايسه با نتايج منتشرشده قرار مي‌گيرد. در ادامه اين مدل‌ها با يكديگر مقايسه شده و مدل با خطاي نسبي كمتر معرفي مي‌شود. مدل نيروي چرخشي سنتي كه وابسته به سرعت انتقالي بال است، در ابتدا و انتهاي نيم كورس‌‌ها هيچ نيروي چرخشي در نظر نمي‌گيرد. مدل‌هاي جديد نيروي چرخشي براي پيش‌‌بيني دقيق اين نيرو، جزء دوم نيروي چرخشي ناشياز پيچش خالص بال را نيز در نظر مي‌گيرند. در اين تحقيق ضرايب نيروي برآ و پساي لحظه‌اي و متوسط در نظريه المان تيغه، با نتايج تجربي و ديناميك سيالات عددي منتشرشده مقايسه شده ‌‌است. هم‌چنين خطاي پيش‌‌بيني نقطه‌‌ حداكثر منحني ضرايب نيروي مدل شده توسط هر كدام از مدل‌‌ها نيز مقايسه شده ‌‌است. بررسي خطاي مؤثر نشان مي‌‌دهد كه يكي از مدل‌هاي بر مبناي نتايج ديناميك سيالات عددي كه شامل دو جزء نيروي چرخشي مرتبط با نظريه كوتا-جاكوفسكي و نيروي ناشي از پيچش خالص است، نسبت به مدل‌‌هاي ديگر از دقت نسبي بالاتري برخوردار بوده و مي‌‌تواند در شبيه‌‌سازي‌‌هاي شبه پايا مورد توجه قرار گيرد.

In this research three different models of rotational force are evaluated in the study of a hovering fruit fly inspired wing, with combined flapping and pitching motions, using a quasi-static simulation by the blade element method, and the results achieved thereby, are compared with previously published results. Then these models are compared with each other, and the model which has the lowest relative error is introduced. The traditional rotational force model, which depends on the wing's translational velocity, does not consider any rotational force at the beginning and end of the stroke. The new rotational force models which are designed to accurately predict this force also consider a second component for this force which is due solely to wing pitching. In this research, the instantaneous and mean coefficients in the blade element method are compared with published computational fluid dynamics and experimental results. The models are compared in terms of the error in predicting the maximum point on the instantaneous force coefficients curve. The root-mean-square error analysis shows that one of the rotational force models, which includes the two force components described by the Kutta-Joukowski theorem and the force due solely to wing pitching, has higher relative accuracy than other models and can be proposed for quasi-static simulations.