Aerodynamic characteristics of a straight wing with a spiroid wingtip device

• Autorzy: Kravchenko Igor F. , Loginov Vasyl V. , Ukrainets Yevgene O. , Hluschenko Pavlo A.

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2021-0010

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka aerodynamiczna skrzydła prostego z urządzeniem spiroidalnym na końcówce skrzydła

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Spiroid wingtip devices (WD) offer a promising way of improving the lift drag ratio of UAVs, but may on the other hand lead to negative aerodynamic interference of the wing with the WD and deterioration of the aerodynamic characteristics as compared to a wing without the WD. Determining the influence of the geometric parameters of a spiroid WD on aerodynamic wing characteristics, however, remains an understudied field. In our study, we investigated the influence of the following geometrical parameters on wing aerodynamic characteristics with WD: area, radius, camber angle, constriction, and pitch of the spiroid. We found that the positive effect of the WD is present at a relative radius r > 0.05, as well as with an increase in the lift coefficient C_L as a result of an increase in the proportion of inductive resistance. For example, with the Reynolds number Re = 2.1×10⁵ for a rectangular wing with an aspect ratio θ = 5.12 equipped with a spiroid WD with r = 0.15 the quality gain is almost 10% at C_L = 0.5, and at C_L = 0.7 is almost 20% and at C_L = 0.7 - almost 20% compared to a wing without WD. Moreover, we found that a change in the camber angle WD θ provides an increase in the derivative of the lift coefficient with respect to the angle of attack in the range from θ = 0° to θ = 130°. By changing the camber angle, it is possible to increase the lift drag ratio of the layout up to 7.5% at θ = 90° compared to θ = 0° at the Reynolds number Re = 2.1×10⁵ . From the point of view of ensuring maximum lift drag ratio and minimum inductive drag, the angle θ = 90° is the most beneficial.

PL

Spiroidalne końcówki skrzydeł (wingtip devices, WD) stanowią obiecującą metodę na poprawę współczynnika oporu aerodynamicznego bezzałogowych statków powietrznych (UAVs). Jednak z drugiej strony mogą prowadzić do negatywnej interferencji aerodynamicznej skrzydła z spiroidalną końcówką i pogorszenia charakterystyk aerodynamicznych w porównaniu do skrzydła bez końcówki. Określenie wpływu parametrów geometrycznych spiroidalnej końcówki na charakterystyki aerodynamiczne skrzydła pozostaje jednak nadal słabo zbadanym zagadnieniem. W pracy tej zbadano wpływ następujących parametrów geometrycznych na charakterystyki aerodynamiczne skrzydła z WD: powierzchnia, promień, kąt pochylenia, przewężenie i rzut spiroida. Stwierdziliśmy, że pozytywny wpływ WD występuje przy promieniu względnym r > 0,05, jak również przy wzroście współczynnika siły nośnej C_L w wyniku wzrostu udziału oporu indukowanego. Przykładowo, przy liczbie Reynoldsa Re = 2,1×10⁵ dla skrzydła prostokątnego o wydłużeniu θ = 5,12 wyposażonego w spiroidalną końcówkę WD r = 0,15 przyrost jakości wynosi przy C_L = 0,5 prawie 10%, a przy C_L = 0,7 prawie 20% i przy C_L = 0,7 - prawie 20% w stosunku do skrzydła bez WD. Ponadto stwierdziliśmy, że zmiana kąta pochylenia WD θ zapewnia wzrost pochodnej współczynnika nośności względem kąta natarcia w zakresie od θ = 0° do θ = 130°. Poprzez zmianę kąta pochylenia możliwe jest zwiększenie doskonałości aerodynamicznej układu do 7,5% przy θ = 90° w stosunku do θ = 0° przy liczbie Reynoldsa Re = 2,1×10⁵. Z punktu widzenia zapewnienia maksymalnej doskonałości aerodynamicznej i minimalnego oporu indukowanego kąt θ = 90° jest najkorzystniejszy.

Słowa kluczowe

EN

lift drag ratio; flight range; flight duration; unmanned aerial vehicles; aerodynamic configuration; spiroid wingtip devices

PL

spiroidalne końcówki skrzydeł; bezzałogowe statki powietrzne; doskonałość aerodynamiczna; zasięg lotu; długotrwałość lotu; konfiguracja aerodynamiczna

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2021
• Tom: Nr 2 (263)
• Strony: 46--62
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., fot., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Kravchenko Igor F.

• SE Ivchenko-Progress, 2, Ivanova Str., Zaporozhye, Ukraine, 69068

• https://orcid.org/0000-0003-2304-3356

autor

Loginov Vasyl V.

• JSC FED, 32, Sumska Str., Kharkiv, Ukraine, 61023

• https://orcid.org/0000-0003-4915-7407

autor

Ukrainets Yevgene O.

• Ivan Kozhedub National Air Force University, 77/79, Sumska Str., Kharkiv, Ukraine, 61023

• https://orcid.org/0000-0002-7674-0588

autor

Hluschenko Pavlo A.

• Ivan Kozhedub National Air Force University, 77/79, Sumska Str., Kharkiv, Ukraine, 61023

• https://orcid.org/0000-0002-8231-8877

Bibliografia

• [1] Ovchinnikova, N. G. & Medvedkov, D. A., 2019, “Primenenie bespilotnyh letatel’nyh apparatov dlja vedenija zemleustrojstva, kadastra i gradostroitel’stva” [The use of unmanned aerial vehicles for land management, cadastre and urban planning], Economy and Ecology of Territorial Formations, 3(1), 98-108. https://doi.org/10.23947/2413-1474-2019-3-1-98-108.
• [2] Fedorov L. P. & Mikhailov Yu. S., 2013, “Opredelenie optimal’nyh rezhimov krejserskogo poleta vysotnogo bespilotnogo letatel’nogo apparat” [Determination of the optimal modes of cruise flight of a high-altitude unmanned aerial vehicle], Scientific Bulletin of MSTU GA, 188, 72-76.
• [3] Turkin, I. K. & Trokhov, D. A. 2015, “Formirovanie oblika vysotnogo bespilotnogo letatel’nogo apparata vozdushnoj razvedki v zadachah poiska” [Formation of the appearance of a high-altitude unmanned aerial reconnaissance aircraft in search tasks], Scientific Bulletin of MSTU GA, 221, 106-114.
• [4] Lukyanov O. E., Ostrovoy A. V., Mendes Soto M. A., Klimov E. A., & Shakhov V. G., 2018, “Osobennosti aerodinamicheskih harakteristik bespilotnyh letatel’nyh apparatov s krylom bol’shogo udlinenia” [Features of the aerodynamic characteristics of unmanned aerial vehicles with a high aspect ratio wing], Scientific Bulletin of MSTU GA, 21(1), 30-39. https://doi.org/10.26467/2079-0619-2018-21-1-30-39.
• [5] Bezuevsky, A., 2019. Osobennosti harakteristik staticheskoj i dinamicheskoj aerouprugosti letatel’nyh apparatov s krylom bol’shogo udlinenia. [Features of the Characteristics of Static and Dynamic Aeroelasticity of Aircraft With High Aspect Ratio Wings]. Ph.D. thesis. http://www.tsagi.ru/upload/iblock/aa1/aa1e878d12d7492af8d5dce77a494993.pdf
• [6] Marqués, P. and Da Ronch, A., Advanced UAV Aerodynamics, Flight Stability and Control: Novel Concepts, Theory and Applications, 2017, First Edition, John Wiley & Sons Ltd.
• [7] Djojodihardjo, H., 2011, “Review on development and recent patents on trailing vortices alleviation”, Recent Patents on Mechanical Engineering, 4, 41-48.
• [8] Abbas, A., Vicente, J., & Valero, E, 2013, Aerodynamic technologies to improve aircraft performance. Aerospace Science and Technology, 28, 100-132.
• [9] Gratzer, L., 1991. Spiroid-Tipped Wing Pat. 5.102.068, cod. US005102068A
• [10] Nazarinia, M., Soltani, M. R., & Ghorb K., 2006, “Experimental study of vortex shapes behind a wing equipped with different winglets”, JAST, 1(3), 1-15.
• [11] Suhail Mostafa, Shyam Bose, Archana Nair, Mansoor Abdul Raheem, Thasneem Majeed, Atiqur Mohammed & Young Kim, 2014, “A parametric investigation of non-circular spiroid winglets”, EPJ Web of Conferences, 67(02077), 1-6. https://doi.org/10.1051/epjconf/20146702077.
• [12] Manikandan, G., Rajashree, V. & Gràcia, S., 2017, “Design and performance analysis of spiroid winglet with normal wing”, Imperial Journal of Interdisciplinary Research, 3, 1-12.
• [13] Raj W. N. & Thomas, T., 2015, “Design and Analysis of Spiroid Winglet”, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 4, 1139-1147.
• [14] Guerrero, J. E., Maestro, D., & Bottaro, A., 2014, “Biomimetic spiroid winglets for lift and drag control”, Comptes Rendus Mecanique. 340, 67-80. 10.1016/j.crme.2011.11.007.
• [15] Samuel, M. & Parvathy, R., 2019, “A review of winglets on tip vortex, drag and airfoil geometry”, Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 63, 218-237.
• [16] Hantrais-Gervois, J.-L., Grenon, R., Mann, A., & Buscher, A., 2009, “Downward pointing winglet design and assessment within the M-DAW research project”, The Aeronautical Journal, 113(1142), 221-232.
• [17] Hammer, P. Altman, A. & Eastep, F., 2014, “Validation of a discrete vortex method for low Reynolds number unsteady flows”, AIAA Journal, 3(52), 643-649.
• [18] Katz, J., and Plotkin, A., 2001, Low Speed Aerodynamics, 2nd ed., Cambridge Univ. Press, Cambridge, England, U.K.
• [19] Gudmundsson, Sh., 2014, General Aviation Aircraft Design, Chapter 15 - Aircraft Drag Analysis, Butterworth-Heinemann, pp. 661-760. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397308-5.00015-5.
• [20] Cameron, T., Yarin, A. & Foss J., 2007, Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Verlag Berlin Heidelberg.
• [21] Kuzenkov, V. K., Mikhailova, N. P. & Repik E. U., 1984, “Ob eksperimental’nom opredelenii profil’nogo soprotivlenia metodom impul’sov” [On the experimental determination of the profile resistance by the pulse method], TsAGI Scientific Notes, 1(15), 110-114.
• [22] Ukrainets, Ye. O., Hlushchenko, P. A. & Spіrkіn V. 2918, “Viznachenna znachen’ kriteriïv doskonalosti aerodinamichnoï trubi pri tehnichnij pidgotovci aerodinamichnogo eksperimentu” [Determination of values of criteria of perfection of a wind tunnel at technical preparation of aerodynamic experiment], Weapons systems and Military Equipment, 3(55), 100-107. https://doi.org/10.30748/soivt.2018.55.14.
• [23] Hizhnyak, A. S., Glushenko, P. A. & Spirkin, Ye.V., 2016, “Metodika aerodinamichnih viprobuvan’ modelej vinišuvachiv z imitaciєû dviguniv” [Methods of aerodynamic tests of fighter models with engine simulation], Science and Technology of the Air Force of the Armed Forces of Ukraine, 2, 47-51.
• [24] Popov, V., Loginov, V., Ukrainets, Ye., Shmyrov, V., Steshenko P. & Hlushchenko, P., 2020, “Improving aircraft fuel efficiency by using the adaptive wing and winglets”, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2, 1(104), 51-59. http://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.200664

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).