مطالعه عددي عملكرد آيروديناميكي يك بال ريز پرنده داراي ساختار هندسي گسسته با قابليت مورفينگ

The numerical Study of Aerodynamic Performance of a UAV Discrete Wing with the Morphing Capability

در طبيعت وجود مورفينگ در بال پرندگان كليد پرواز بهينه و اجراي مانورهاي دشوار مي‌باشد. يك روش مورفينگ، تغيير شكل در بال و دم پرنده از طريق پرها مي‌باشد كه عمدتاً به‌منظور تغيير مسير اجرا مي‌شود. در اين پژوهش عملكرد يك بال مشابه پرندگان كه به‌جاي پرها نوارهاي گسسته در آن تعبيه شده است، با روش عددي مطالعه شده است. اين ساختار كه بال با هندسه گسسته نام دارد، مي‌تواند با چرخش نوارها حول مفصل، زاويه سوييپ انتهاي بال و سطح بال را تغيير داده و عمل مورفينگ را به‌خوبي اجرا نمايد. در اينجا نشان داده شده كه اين ساز و كار ساده مي‌تواند در بهبود عملكرد آيروديناميكي و نيز در ارايه توان كنترلي براي مانورهاي طولي و عرضي كارآمد باشد. ابتدا هندسه مبنا و شيوه حل عددي مناسب انتخاب شده و نتايج اوليه با داده‌هاي مرجع اعتبار سنجي شده است. در ادامه با رويكرد مورفينگ، مطالعه پارامتري حول متغيرهاي زاويه حمله و زاويه سوييپ انجام شده است. كميت‌هاي عملكردي شامل ضرايب نيرو و راندمان آيروديناميكي است. وجود مورفينگ امكان بهبود راندمان به ميزان 13 درصد را فراهم ساخته است. شبيه‌سازي جريان حول بال گسسته در زواياي مورفينگ متنوع و براي 2 زاويه حمله به‌صورت پايا و ناپايا ارايه و مقايسه شده است. بر مبناي نتايج اين پژوهش مي‌توان در گام بعدي قابليت كنترل پرنده در مانورهاي طولي و عرضي را بر اساس ساز و كار ساده مورفينگ پيشنهاد شده بررسي نمود.

In this research the aerodynamic performance of a discrete wing capable of morphing, has been studied based on the numerical techniques. In the proposed wing the chord-wise strips have been implemented to resemble a bird wing’s feathers. The morphing mechanism composed of changing the wrist angle which is equal to the partially sweep angle and the wing planform area. Here it is shown that by utilizing this proposed simple mechanism, the MAV/UAV could enhance its aerodynamic performance and also produce control power in the longitudinal and lateral maneuvers. Firstly, the benchmark geometry and a suitable numerical scheme are introduced. The results are then compared and validated against the reference available data. Consequently, the parametric study is performed by selecting the morphing wing tip sweep angle and the angle of attack as the variables and the force coefficients and efficiency as the performance indices. This kind of morphing could make the efficiency increase, up to 13 percent. Flow simulations around the wing are depicted for various morphing angles and for two angles of attack, both in the steady and unsteady manner. The results are also compared and analyzed. Based on the current research, one may continue to estimate the control forces produced by this simple mechanism to expedite the longitudinal and lateral maneuvers in a specified MAV.