طراحی آیرودینامیکی بال بالزن (۹)

در سال هاي اخير پرواز با بالزدن اهميت قابل توجه اي كسب كرده است. روش غالب توليد نيروهاي برآ و پيشران در پرواز طبيعي پرندگان، بال زدن است. مثال هاي فراوان موجود در طبيعت مانند پرواز پرندگان هم گواهي مي دهد که بالزدن يك روش بسيار كارآمد براي پرواز در سرعت پايين است. بالزن پرنده اي مکانيکي است که مانند پرندگان به طور همزمان هر دو نيروي آيروديناميكي برآ و پيشران لازم براي پرواز خود را توسط بال زدن بال ها فراهم مي نمايد.

برخلاف پرنده هاي بال ثابت، آيروديناميك پرواز با بال زدن هنوز يك موضوع به طور كامل شناخته شده نيست و قوانين ساده اي براي طراحي بالزن دردسترس نيست. لذا براي طراحي بالزن از تدوين روابط نيمه -تجربي مي­توان استفاده نمود.

مشخصات عمومي پرندگان داراي ويژگي هاي مشترك فراواني هستند و اين ويژگي ها در بعضي ماشينهاي پرنده نيز مشاهده­ مي شود. مطالعات فراواني براي شناخت اين ويژگي­ها صورت گرفته است كه اساس آنها بر تحليل ابعادي و مطالعه­ي مقياس ها است. روابط نمايي و نتايج حاصل از اين مطالعات بين پارامترهاي عملكردي و جرم پرنده كه ابزار مفيدي در طراحي اوليه­ي بالزن می­تواند باشد درآورده شده است.

براي طراحي سامانه هاي بالزن، لازم است اجزاي مختلف آن شناسايي شوند که يکي از مهمترين آنها، بال انعطاف ­پذير است. وقتي بالي به صورت تناوبي و با شتاب متغير در سيال حركت می­كند، نيروهاي مختلفي توليد مي شود. برخي از اين نيروها مثل آيروديناميك، نيروي خارجي بوده و مربوط به اندرکنش بال و جريان سيال است و نيروهاي ديگر مثل نيروي اينرسي و نيروي داخلي الاستيك تابع سينماتيک حرکت، توزيع جرم بال، خواص مواد و طرح بال هستند.

در حرکت بالزدن نيز اين نيروها وجود دارند و باعث خمش و پيچش بال و درنتيجه (Passive Wing Deformation)تغييرشكل انفعالي بال مي­شوند كه روي عملكرد پرواز اثر می­گذارند. اين تغييرشكل انفعالي بايد با طرح سازه و خواص مواد بال كنترل شود. به عبارتي طرح سازه ­ي بال و مواد آن بايد به گونه­ اي باشد كه اجازه تغيير شكل ­هاي معيني را براي بال به وجود آورد تا اين که بال نيروهاي آيروديناميکي مطلوب را با حداقل توان مصرفي توليد نمايد.

بنابراين تحليل آيروالاستيسيته، ترکيب آيروديناميک ناپايا و الاستيسيته­ي بال، در توصيف حرکت بالزدن نقش مهمي دارد. انجام تحليل آيروالاستيسيته، نيازمند الگوي آيروديناميک ناپاياي مناسب براي ترکيب با معادلات الاستيسيته­ي سازه است.

 استخراج روابط از طریق تحلیل ابعادی و تشابه هندسی

به طورکلي الگوهاي آيروديناميكي موجود، از دقت و يا سرعت کافي براي تحليل بالزدن برخوردار نيستند. لذا تحليل­ هاي آيروديناميک براي اينکه در طراحي بالزن مورد استفاده قرار گيرند مي­ بايست توسط آزمايش هاي تجربي تاييد شوند. همچنين از فعاليت­ هاي تحقيقاتي تجربي براي بهينه سازي متغيرهاي بال در حرکت بال زدن نيز استفاده مي­ شود. اين متغيرها به­ طورکلي شامل سه دسته هستند:

  • شکل يا هندسه بال مانند نسبت منظري
  • سينماتيک بال زدن مانند فركانس بالزدن، دامنه­ ي بال زدن
  • جنس سازه بال مانند سفتي پيچشي و خمشي بال

به­ کمک مطالعه­ ي تجربي مي­ توان رفتار اين متغيرها را در کمينه­ کردن توان مصرفي براي توليد نيروهاي آيروديناميکي لازم براي پرواز بررسي نمود. بنابراین بهترین راه برای رسیدن به روابطی که بتوان طراحی بال را شروع کرد استفاده از مقایسه ابعادی از طریقه نمودارهای تجربی و مقایسه های هندسی می باشد. در اینجا پارامترهای مربوط به شکل و هندسه بال و سینماتیک بال زن مورد بررسی قرار خواهد گرفت این پارامترها از قرار زیر هستند:

  • Wing loading
  • دهانه بال
  • مساحت بال
  • نسبت منظری بال
  • فرکانس بالزدن

۱-۱-۱- پارامتر Wingloding

در طراحی بال یک جسم پرنده شاید مهمترین پارامتری که یک طراح در ابتدای امر به آن توجه می کند Wing loading می باشد. این پارامتر معرف نسبت وزن یا جرم کل به مساحت بال آن است که به عنوان نسبتی بین وزن و سطح بال شناخته می شود. مقادیر استانداردی که معمولا برای این دو عدد انتخاب می شود بیشترین وزن برخاست و سطح افقی بال است. اگر پرنده را در حالت پرواز افقی در نظر بگیریم، نیروی لیفت با نیروی وزن برابر خواهد بود:

از طرف دیگر وزن و مساحت به ترتیب توان سوم و دوم طول است:

بنابراین:

از تحلیل بالا به نتیجه مهمی میرسیم و آن اینکه wing loading نسبتی از توان اول یا توان ۳/۱ وزن است از بررسی های اولیه فهمیده می شود که هم وسایل ساخته بشر و هم پرنده های طبیعت بطور کلی این قاعده را پیروی می کنند اگرچه انحرافاتی دیده می شود. در نمودار زیر برای پرنده های بال ثابت در ابعاد هواپیماهای مسافربری تا هواپیماهای سبک و هم چنین پرنده های طبیعی تا ریز پرنده ها، نتایج مهمی رسم شده است. در این نمودار همانطور که مشاهده می شود این نسبت بین W/S و وزن پرنده وجود دارد:

نمودار مهم wingloading بر حسب وزن پرنده

خط مستقیم میانیابی شده تقریبا شیب تقریبی ۰٫۳۳=۱/۳ را نشان می دهد. نتیجه حاصل از مشاهدات وجود یک قاعده کلی در مورد ارتباط W/S با اندازه وزن پرنده را نشان می دهد. دلایل فیزیکی زیادی وجود دارد که یک چنین قانون کلی را تصدیق می کند اگرچه انحراف نیز وجود دارد. وجود انحراف به خاطر دلایل آیرودینامیکی و سازه ای است. نکته ای که باید در اینجا توجه داشت این است که افزایش W/S مثلا در یک وسیله پرنده بال ثابت باعث افزایش مسافت نشست و برخاست و همچنین شعاع چرخش بیشتر می شود که این خود باعث افزایش توان مصرفی و کاهش راندمان و در نتیجه کاهش چالاکی و مانورپذیری می شود. به هرحال این نمودارها راهنمای خوبی برای مهندسان و طراحان ریزپرنده های بالزن و غیر بالزن خواهد بود. در رابطه W/S با وزن پرنده مقدار ضریب ثابت k1 برای هواپیماها و پرندگان طبیعی به ترتیب ۵۳ و ۳۰٫۶ مناسب است

مساحت بال

با بدست آمدن رابطه Wingloading با وزن بال می توان مساحت بال را نیز بدست آورد. طبیعتا برای شروع هر طراحی مناسب است که ابتدا تخمینی از وزن پرنده زده شود و بر اساس این تخمین وزن فراین طراحی ادامه پیدا کند. در اینجا نیز با تعیین وزن، و از رابطه می توان مساحت بال را بدست آورد (Shyy, 2013).

دهانه بال

در بررسی پرندگان بالزن علاقه مندیم که پارامترها را با وزن پرنده مرتبط کنیم. با استفاده از این رویکرد می توان طول بال را توسط رابطه ای که درادامه می آید از مقدار وزن پرنده محاسبه کرد.

رابطه فوق از طیف وسیعی از داده ها بدست آمده است. این داده ها از پرنده هایی با وزن ۰٫۰۲۶ نیوتون تا ۱۱۶ نیوتون و هواپیماهای توربوپراپ و ملخی تا هواپیماهای بوئینگ ۷۴۷ نتیجه شده است (Shyy, 2013).

نسبت منظری

همانند هواپیما، برای بال پرندگان نیز نسبت منظری تعریف می شود که نسبت مربع دهانه بال به مساحت بال است. در حالت کلی هم برای هواپیماهای ساخت دست انسان و هم برای پرندگان طبیعی، میزان مانورپذیری با کاهش نسبت منظری نسبت مستقیم دارد. پرنده هایی که نسبت منظری بالایی دارند مثل پرنده آلباتراس و یا هواپیمای U-2، به خوبی می توانند در رژیم پایا پرواز کنند اما در رژیم که تغییرات بال زدن سریع وجود دارد، نسبت منظری بالا مناسب نیست (Shyy, 2013).

 

با بدست آوردن دهانه بال و مساحت از روابط قسمت های قبلی می توان برآوردی از نسبت منظری داشت.

فرکانس بالزدن

با توجه به جدول ارزشمندی که گریین والت و راینر ارائه دادند رابطه فرکانس بالزدن با وزن را به صورت زیر ارائه دادند:

جدول مقادیر و پارامترهای آماری بالزن های مختلف بر حسب جرم پرنده

البته این تنها یکی از روابط بدست آمده است و سایر روابط پیشنهادی نیز در جدول فوق بیان شده است که ارزشمند است. در اینجا رابطه فرکانس با وزن به دو دسته مرغ مگسخوار و سایر پرندگان تقسیم شده است (Shyy, 2013):

یک دیدگاه درباره “طراحی آیرودینامیکی بال بالزن (۹)

  1. ماهان

    با سلام و عرض خسته نباشید خدمت شما لطفا منابع انگلیسی در جهت مطالعه ی بیشتر و عمیق تردر رابطه با آیرودینامیک بالزن رو بگید با تشکر

    پاسخ

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *