Optimering af winglets til minimalt træk, mere effektiv flyvning

Selvom, winglets har eksisteret siden midten af ​​1970'erne, der er stadig en lang række forskellige former, størrelser, og vinkler.

Hvis du nogensinde har taget et foto ud af vinduet på et kommercielt fly, du har højst sandsynligt et godt skud af en winglet - den del af vingen i spidsen, der vinkler opad. Den lille ændring i vingespidsens form gør meget. Det reducerer træk, som kan oversætte til højere hastighed eller tillade en pilot at drosle tilbage og spare brændstof. Det hjælper også med at reducere vingespidshvirvler, der kan være problematiske for fly, der flyver i kølvandet.

Selvom, winglets har eksisteret siden midten af ​​1970'erne, der er stadig en lang række forskellige former, størrelser, og vinkler. At analysere winglets for at finde de optimale egenskaber til at resultere i den laveste nettotræk for et fly var målet for University of Illinois -forskere Phillip Ansell, Kai James, og kandidatstuderende Prateek Ranjan.

"Mange akademiske undersøgelser af ikke-plane vingedesign idealiserer winglets installeret med en skarp 90-graders drejning på spidserne, selvom der er mange ting potentielt galt med at have disse skarpe krydser. Fordi individuelle fly har et unikt sæt begrænsninger og krav, det er svært at generalisere om, hvordan et fly skal designes, sagde Ansell, adjunkt i Institut for Aerospace Engineering i College of Engineering ved University of Illinois. "Imidlertid, når man ser på ikke-plane vingesystemer, vi destillerede problemet til noget meget specifikt og kanonisk. Vi brugte en metode til multi-fidelity-optimering, begyndende med meget enkle matematiske algoritmer for bedre at forstå designrummet inden for plus eller minus 10 procent nøjagtighed, derefter kørte mere avancerede simuleringer for at forstå, hvordan winglet påvirker flowfeltet og vingens ydeevne. "

I deres forskning, holdet fokuserede på et — ikke-lineært vingedesign, kendt som Hyper Elliptic Cambered Span (HECS) vingekonfigurationer, hvor vingens lodrette projektion kan beskrives matematisk ved hjælp af ligningen af ​​en hyper-ellipse.

"Vi destillerede vingens geometri ned til noget meget enkelt, "Sagde Ansell." Vi udtrykte fløjens ikke-planaritet-hvor buet den er, hvor høje vingespidserne er, osv.-ved hjælp af ligninger til en hyper-ellipse. Nu kan vi let ændre værdierne i ligningen for at finde den bedst fungerende vinge, mens vi handler skarpere eller glattere krumning, når spidsen nærmer sig, såvel som større eller mindre vingelængder. "

Ansell sagde, at algoritmen begyndte med et fast løft, et fast forventet spænd, et fast bøjningsmoment på vingen, og en fast vægt, at generere en fløj, der har det mindste træk - og i sidste ende være mere effektiv.

"Mens andre har studeret ikke-plane vinger med blandede winglet-designs, de fleste har kun set på det såkaldte 'usynlige' aspekt af vingetrækket, ignorerer de komplekse trækilder, der indføres af luftens viskositet, "Sagde Ansell." Men det er kun omkring halvdelen af ​​billedet. I vores formulering, vi inkluderede disse tyktflydende trækilder, fordi det har en betydelig indflydelse på vingens nettoeffektivitet. For eksempel, det er let at reducere vingens usynlige træk ved at tilføje meget høje vinger ved spidserne med meget skarpe kryds. Imidlertid, der er en tydelig viskøs trækstraf ved at gøre det, der reducerer effektiviteten af ​​et sådant design i praksis. "

"Ved at udføre en streng numerisk optimeringsprocedure, vi var i stand til systematisk at undersøge rummet for mulige designs, og i sidste ende opnå designs, der kan virke usædvanlige, og at vi aldrig kunne have forudsagt ved at stole på ren intuition, "sagde Kai James, også adjunkt i Institut for Aerospace Engineering.

Ansell sagde, at denne integrerede optimeringsramme vil hjælpe den nuværende tilstand af lavhastighedsvingedesign, men kan også resultere i en forbedring i forhold til de nuværende konventionelle vingedesign, opererer i det subsoniske flyveregime.

Forskning til avisen, "Optimale Hyper Elliptic Cambered Span -konfigurationer til minimum træk, "blev udført af Prateek Ranjan, Phillip Ansell, og Kai James. Det fremgår af Journal of Aircraft.