En smuk vingedesignløsning inspireret af uglefjer

Mange uglearter er i stand til at jage uden at blive hørt af deres bytte ved at undertrykke støjen fra deres vinger ved lydfrekvenser over 1,6 kilohertz (kHz) – inklusive det område, hvor menneskelig hørelse er mest følsom.

Uglevingeporøsitet (den kvalitet, der tillader luft at passere modstandsdygtigt gennem vingerne) hjælper med at undertrykke støj. Talrige aero-akustiske undersøgelser har undersøgt effekten af ​​vingeporøsitet, inspireret af uglernes stille fjerdragttræk. Imidlertid, meget mindre er kendt om, hvordan vingeporøsitet påvirker aerodynamikken af ​​disse vinger, som sandsynligvis konkurrerer med de akustiske fordele ved porøsitet.

Nu, forskere ved Lehigh University har formuleret og løst præcis de aerodynamiske belastninger på en bæreflade, eller 2-D vingelignende struktur. Deres matematiske formel bruger vilkårlige realistiske porøsitetsfordelinger, som kan bruges i forbindelse med en aero-akustisk teori, at bestemme den aerodynamiske/aero-akustiske afvejning af porøse vingedesigns. Arbejdet er beskrevet i et papir, der skal publiceres i Proceedings of the Royal Society A:Matematisk, Fysiske og ingeniørvidenskabelige videnskaber kaldet "Den stabile aerodynamik af aerofoils med porøsitetsgradienter."

Arbejdet kan i sidste ende bruges til at forbedre menneskeskabt aerodynamisk design af vindmøller og specialiserede fly eller autonome droner.

"Undersøgende eksperimentelt arbejde fra andre forskere har målt støjen og aerodynamikken af ​​bæreflader konstrueret af forskellige porøse materialer over en række strømningshastigheder, " sagde Justin W. Jaworski , adjunkt i maskinteknik og mekanik og medforfatter til papiret. "Vores arbejde generaliserer den eksisterende teori for at give resultater for vilkårlige porøsitetsfordelinger langs bærefladen og producerer en porøsitetsparameter, der kollapser alle eksperimentelle data på en enkelt kurve."

Han tilføjer:"Vores generelle resultat - et enkelt, eksplicit udtryk, der løser det centrale matematiske problem uden tilnærmelse - har potentialet til at blive integreret i det aerodynamiske/aero-akustiske design af vinger og vinger på små luftfartøjer, vindturbine, eller droner, der søger at minimere deres støjaftryk gennem passive midler."

Ifølge Jaworski, holdets matematiske analyse var bygget på klassisk aerodynamisk teori. Interessant nok, nøgleinformationen til at opnå et nøjagtigt resultat med generelle porøsitetsfordelinger kom fra en gammel russisk tekst.

"Måske mest overraskende var opdagelsen af, at det matematiske problem kunne formuleres meget generelt og løses i lukket form uden at ty til unødvendige tilnærmelser, " sagde Rozhin Hajian, medforfatter til papiret og en maskiningeniør-ph.d.-studerende ved Lehigh.

Ved at bruge deres formel, resultaterne for trykfordelingen på en vinge fra en given beskrivelse af porøsiteten og krumningen af ​​en vingesektion kan bestemmes eksplicit ud fra en enkelt ligning - et værktøj, der kunne være af stor interesse for designere, der søger at minimere støj og samtidig maksimere aerodynamiske egenskaber.

"Det faktum, at vores resultat er eksplicit og i lukket form for vilkårlige porøsitetsfordelinger, gør det nemt at implementere i analyser af aerodynamik vs aero-akustik for at forudse, hvorvidt et bestemt porøsitetsdesign vil være effektivt til en given applikation, " sagde Jaworski.