DE102014105259B3

DE102014105259B3 - Method for carrying out and evaluating flow channel measurements

Info

Publication number: DE102014105259B3
Application number: DE201410105259
Authority: DE
Inventors: Dietrich Fischenberg; Detlef Rohlf; Wulf Mönnich
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2034-04-15

Abstract

Ein Verfahren zur Durchführung und Auswertung von Strömungskanalversuchen an einem Objekt weist die Schritte auf: Anströmen des Objekts mit einer eine Strömungshauptrichtung aufweisenden Strömung, wiederholtes wechselweises Verkleinern und Vergrößern eines Anstellwinkels des Objekts gegenüber der Strömungshauptrichtung mit mindestens einer Wiederholungsfrequenz, Messen von Kräften und/oder Momenten, die bei dem sich ändernden Anstellwinkel durch das Anströmen auf das Objekt einwirken, und Anpassen von dynamischen Kennwerten eines strömungsdynamische Eigenschaften des Objekts beschreibenden mathematischen Modells an die gemessenen Kräfte und/oder Momente. Dabei wird das wiederholte wechselweise Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels einem kontinuierlichen Verändern des Anstellwinkels überlagert, das sich über einen Winkelbereich von mindestens 5° erstreckt und das über einen Zeitraum erfolgt, der mindestens 10 mal so lang ist wie ein Kehrwert der mindestens einen Wiederholungsfrequenz; und die dynamischen Kennwerte werden im Zeitbereich an die gemessenen Kräfte und/oder Momente angepasst, wobei das die strömungsdynamischen Eigenschaften des Objekts beschreibende mathematische Modell ein nichtlinear von dem Anstellwinkel abhängiges Modell ist.A method of performing and evaluating flow channel tests on an object includes the steps of flowing the object with a flow having a main flow direction, repeatedly alternately contracting and increasing an angle of attack of the object relative to the flow direction with at least one repetition frequency, measuring forces and / or moments , which act on the object at the changing angle of attack by the flow, and adapting dynamic characteristics of a mathematical model describing a fluid dynamic properties of the object to the measured forces and / or moments. In this case, the repeated alternately reducing and increasing the angle of attack is superimposed on a continuous change in the angle of attack, which extends over an angular range of at least 5 ° and over a period of at least 10 times as long as a reciprocal of the at least one repetition frequency; and the dynamic characteristics are adjusted in the time domain to the measured forces and / or moments, wherein the mathematical model describing the fluid dynamic properties of the object is a non-linearly dependent on the angle of attack model.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung und Auswertung von Strömungskanalversuchen an einem Objekt, insbesondere um dynamische Kennwerte für eine Flugzeugkonfiguration, die das Objekt aufweist, durch Windkanalversuche in einem Niedergeschwindigkeitswindkanal zu ermitteln. Genauer bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for carrying out and evaluating flow channel tests on an object, in particular to determine dynamic characteristics for an aircraft configuration having the object by wind tunnel tests in a low-speed wind tunnel. More particularly, the invention relates to a method having the features of the preamble of independent claim 1.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Verfahren zur Bestimmung von dynamischen Kennwerten für Flugzeugkonfigurationen mit Hilfe von Windkanalversuchen an einem die jeweilige Flugzeugkonfiguration aufweisenden Objekt sind bekannt. Bei einem solchen bekannten Verfahren wird ein Anstellwinkel des Objekts gegenüber einer Strömungsrichtung, in der das Objekt in einem Niedergeschwindigkeitswindkanal angeströmt wird, gegenüber mehreren diskreten Ausgangswinkeln um jeweils ±5° mit unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen über längere Zeiträume hinweg periodisch variiert. Dabei werden die diskreten Ausgangswinkel abhängig von der mit ihnen einhergehenden Änderung der Kräfte und Momente auf das Modell infolge der Anströmung unterschiedlich dicht gelegt werden. Während der Variation des Anstellwinkels gegenüber den verschiedenen Ausgangswinkeln mit den verschiedenen Wiederholungsfrequenzen werden die Kräfte und Momente, die auf das Objekt einwirken, gemessen. Ein linear von dem Anstellwinkel abhängiges mathematisches Modell der strömungsdynamischen Eigenschaften des Objekts wird im Frequenzbereich an die gemessenen Kräfte und Momente angepasst. Auf diese Weise werden die interessierenden dynamischen Kennwerte erhalten. Für die Anpassung des mathematischen Modells an die gemessenen Kräfte und Momente im Frequenzbereich muss eine ausreichende Datenbasis zur Verfügung stehen. Entsprechend müssen die Kräfte und Momente bei den jeweiligen Ausgangswinkeln und Wiederholungsfrequenzen für längere Zeiträume gemessen werden. Eine Grundanpassung des mathematischen Modells an die strömungsdynamischen Eigenschaften des Objekts erfolgt über statische Kennwerte, die aus zuvor in statischen Versuchen oder mit nur langsam verändertem Anstellwinkel gemessenen Kräften und Momenten auf das Objekt bestimmt werden.Methods for determining dynamic characteristics for aircraft configurations using wind tunnel tests on an object having the respective aircraft configuration are known. In such a known method, an angle of incidence of the object relative to a flow direction in which the object is impinged in a low-speed wind tunnel is periodically varied by several ± 5 ° with different repetition frequencies over a plurality of discrete output angles. In this case, the discrete output angle depending on the accompanying change in the forces and moments are placed on the model different density due to the flow. As the angle of attack varies from the different output angles with the different repetition frequencies, the forces and moments acting on the object are measured. A linearly dependent on the angle of attack mathematical model of the flow dynamic properties of the object is adjusted in the frequency domain to the measured forces and moments. In this way the interesting dynamic characteristics are obtained. For the adaptation of the mathematical model to the measured forces and moments in the frequency domain, a sufficient database must be available. Accordingly, the forces and moments at the respective output angles and repetition frequencies must be measured for longer periods of time. A fundamental adaptation of the mathematical model to the fluid-dynamic properties of the object takes place via static characteristics which are determined from forces and moments previously measured in static tests or with only a slowly changed angle of attack on the object.

Das bekannte Verfahren erweist sich wegen des Umfangs der benötigten Daten als langwierig, wobei der hohe Aufwand für Windkanalversuche pro Zeiteinheit zu berücksichtigen ist. Darüber hinaus erweist sich die Anpassung des linearen mathematischen Modells an die gemessenen Kräfte und Momente insbesondere bei größeren Anstellwinkeln als problematisch. Das heißt, die gemessenen Kräfte und Momente können durch das Modell auch bei optimaler Anpassung seiner dynamischen Kennwerte nicht mit guter Näherung beschrieben werden.The known method proves to be tedious because of the amount of data required, the high cost of wind tunnel tests per unit time is taken into account. In addition, the adaptation of the linear mathematical model to the measured forces and moments, especially at larger angles of incidence proves to be problematic. This means that the measured forces and moments can not be described with good approximation by the model, even with optimal adaptation of its dynamic characteristics.

Die US 2011/0246097 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Bestimmen aerodynamischer Lasten aus Strömungsparametern einer Vorderkante. Im Rahmen der Beschreibung wird der für verschiedene Anströmwinkel von 0 bis 30° mit Hilfe eines aerodynamischen Modells nach dem Verfahren ermittelte Auftriebskoeffizient mit gemessenen Werten des Auftriebskoeffizienten verglichen.The US 2011/0246097 A1 describes a method and system for determining aerodynamic loads from flow parameters of a leading edge. In the description, the buoyancy coefficient determined for various angles of incidence from 0 to 30 ° by means of an aerodynamic model according to the method is compared with measured values of the buoyancy coefficient.

Aus der US 6,134,959 A ist ein Verfahren zum Detektieren von Strömungsablösung unter Unterschaltströmungsbedingungen bekannt. Dabei werden verschiedene Messwerte erfasst, während der Anstellwinkel eines Tragflächenmodells variiert wird.From the US 6,134,959 A For example, a method of detecting flow separation under underflow conditions is known. Different measurement values are recorded while the angle of attack of a wing model is varied.

Aus der US 7,997,130 B1 sind ein System und ein Verfahren zum Messen von Deformationen eines Objekts in einem Strömungskanal bekannt. Dabei kann ein Anstellwinkel des Objekts mit Hilfe einer Trägersteuerung um eine vom Objekt entfernte Schwenkachse variiert werden, wobei die Höhe des Objekts in dem Strömungskanal festgehalten wird.From the US Pat. No. 7,997,130 B1 For example, a system and method for measuring deformations of an object in a flow channel are known. In this case, an angle of incidence of the object can be varied by means of a carrier control about a pivot axis remote from the object, wherein the height of the object is held in the flow channel.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung und Auswertung von Strömungskanalversuchen an einem Objekt aufzuzeigen, das mit in kürzerer Zeit gewinnbaren Daten auskommt und dennoch genauere Kennwerte zu den dynamischen Eigenschaften des Objekts liefert.The invention has for its object to provide a method for performing and evaluating flow channel experiments on an object that gets along with recoverable in less time data and yet provides more accurate characteristics to the dynamic properties of the object.

LÖSUNG SOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object of the invention is achieved by a method having the features of independent claim 1. Preferred embodiments of the method according to the invention are defined in the dependent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei einem Verfahren zur Durchführung und Auswertung von Strömungskanalversuchen an einem Objekt mit den Schritten: (i) Anströmen des Objekts mit einer eine Strömungshauptrichtung aufweisenden Strömung, (ii) wiederholtes wechselweises Verkleinern und Vergrößern eines Anstellwinkels des Objekts gegenüber der Strömungshauptrichtung mit mindestens einer Wiederholungsfrequenz, (iii) Messen von Kräften und/oder Momenten, die bei dem sich ändernden Anstellwinkel durch das Anströmen auf das Objekt einwirken, und (iv) Anpassen von dynamischen Kennwerten eines strömungsdynamische Eigenschaften des Objekts beschreibenden mathematischen Modells an die gemessenen Kräfte und/oder Momente, umfasst die erfindungsgemäße Lösung, dass das wiederholte wechselweise Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels einem kontinuierlichen Verändern des Anstellwinkels überlagert wird, das sich über einen Winkelbereich von mindestens 5° erstreckt und das über einen Zeitraum erfolgt, der mindestens 10-mal so lang ist wie ein Kehrwert der mindestens einen Wiederholungsfrequenz, und dass die dynamischen Kennwerte im Zeitbereich an die gemessenen Kräfte und/oder Momente angepasst werden, wobei das die strömungsdynamischen Eigenschaften des Objekts beschreibende mathematische Modell ein nichtlinear von dem Anstellwinkel abhängiges Modell ist.In a method for performing and evaluating flow channel tests on an object, comprising the steps of: (i) flowing the object with a flow having a main flow direction, (ii) repeatedly alternately reducing and increasing an angle of attack of the object with respect to the flow direction with at least one repetition frequency, iii) measuring forces and / or moments acting on the object at the changing angle of incidence, and (iv) fitting dynamic characteristics of a mathematical model describing fluid dynamic properties of the object to the measured forces and / or moments the inventive solution that the repeated alternately reducing and increasing the angle of attack is superimposed on a continuous change in the angle of attack, which extends over an angular range of at least 5 ° and which takes place over a period of min at least 10 times as long as a reciprocal of the at least one repetition frequency, and that the dynamic characteristics in the time domain are adapted to the measured forces and / or moments, wherein the mathematical model describing the fluid dynamic properties of the object is a non-linearly dependent on the angle of attack model is.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe umfasst drei zusammenwirkende Komponenten. Gemäß der ersten Komponente wird das schnelle wiederholte wechselweise Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels mit der Wiederholungsfrequenz einem langsamen kontinuierlichen Verändern des Anstellwinkels überlagert. Dieses kontinuierliche Verändern erstreckt sich über einen Winkelbereich von mindestens 5°. Vorzugsweise beträgt der von dem Anstellwinkel langsam überstrichene Winkelbereich mindestens 10°, und er kann aber auch mindestens 15° betragen oder noch größer sein. Durch das kontinuierliche Verändern des Anstellwinkels werden Kräfte und Momente, die von dem schnellen wechselweisen Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels abhängen, zu sehr verschiedenen Ausgangswinkeln in vergleichsweise kurzer Zeit gemessen. In der Regel werden aber zu keinem Ausgangswinkel wiederholt unter denselben Bedingungen Kräfte und Momente auf das Objekt gemessen. Dies gilt auch dann, wenn der Anstellwinkel langsam mit einem Ausgangswert beginnend und mit demselben Ausgangswert endend kontinuierlich verändert wird, so dass er sich an jeden Ausgangswert aus unterschiedlichen Richtung annähert.The solution of the problem according to the invention comprises three interacting components. According to the first component, the rapid repeated alternately reducing and increasing the angle of attack with the repetition frequency is superimposed on a slow continuous change of the angle of attack. This continuous change extends over an angular range of at least 5 °. Preferably, the angular range swept over slowly by the angle of attack is at least 10 °, but it may also be at least 15 ° or even greater. By continuously changing the angle of attack, forces and moments that depend on the rapid alternately decreasing and increasing the angle of attack are measured at very different output angles in a comparatively short time. As a rule, however, forces and moments on the object are not repeated at any initial angle under the same conditions. This is true even if the angle of attack is changed slowly starting with an initial value and ending continuously with the same initial value, so that it approaches each output value from different directions.

Konkret kann der Winkelbereich, über den der Anstellwinkel langsam kontinuierlich verändert wird, zumindest die Anstellwinkel von 0° bis 10° abdecken. Vorzugsweise deckt er zumindest die Anstellwinkel von 0° bis 15° oder noch darüber hinaus ab. Demgegenüber variiert das wiederholte wechselweise Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels den Anstellwinkel um typischerweise +/–3° bis 7°, also etwa 5°. Dies ist gleichbedeutend damit, dass sich jede Folge des Verkleinerns und Vergrößerns des Anstellwinkels über 6° bis 14° bzw. etwa 10° erstreckt.Specifically, the angular range over which the angle of attack is slowly continuously changed, at least cover the angle of attack of 0 ° to 10 °. Preferably, it covers at least the angle of attack of 0 ° to 15 ° or even more. In contrast, the repeated alternately reducing and increasing the angle of attack varies the angle of attack by typically +/- 3 ° to 7 °, ie about 5 °. This is equivalent to extending each sequence of reducing and increasing the angle of attack over 6 ° to 14 ° or about 10 °.

Die Variation des Anstellwinkels beim wechselweise Verkleinern und Vergrößern bestimmt zusammen mit der Wiederholungsfrequenz eine Nickrate, die die Dynamik des jeweiligen Windkanalversuchs angibt.The variation of the angle of attack when alternately reducing and enlarging together with the repetition frequency determines a pitch rate which indicates the dynamics of the respective wind tunnel test.

In der Überlagerung der langsamen kontinuierlichen Veränderung des Anstellwinkels und des schnellen Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels überstreicht der Anstellwinkel einen Gesamtwinkelbereich von zumindest kleinen negativen Anstellwinkeln bis zu großen positiven Anstellwinkeln, bei denen eine Strömungsablösung einsetzt und damit besonders nichtlineare Verhältnisse auftreten.In the superimposition of the slow continuous change in the angle of attack and the rapid reduction and increase in the angle of attack, the angle of attack covers a total angle range of at least small negative angles of attack to large positive angles, where a flow separation begins and thus particularly non-linear conditions occur.

Es versteht sich, dass der Anstellwinkel auch beim Überlagern seines wiederholten wechselweisen Verkleinerns und Vergrößerns mit dem kontinuierlichen Ändern einen stetigen Verlauf aufweist. Dabei kann das schnelle wechselweise Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels einer Sinusfunktion über eine Vielzahl von Perioden folgen. Das kontinuierliche Ändern des Anstellwinkels folgt vorzugsweise einer Periode einer negativen und mit ihrem Anfangswert auf null verschobenen Kosinusfunktion.It will be understood that the angle of attack also has a continuous course even when superimposed on its repeated alternately reducing and enlarging with the continuous changing. In this case, the rapid alternately reducing and increasing the angle of attack can follow a sinusoidal function over a plurality of periods. The continuous change of the angle of attack preferably follows a period of a negative and with its initial value shifted to zero cosine function.

Das wiederholte wechselweise Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels wird dem kontinuierlichen Verändern des Anstellwinkels über den Winkelbereich vorzugsweise nacheinander mit unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen überlagert. Das heißt, der Winkelbereich wird nacheinander in beiden Richtungen mit unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen beim wechselweisen Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels überfahren. Konkret können die unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen 1 Hz, 2 Hz und 3 Hz umfassen.The repeated alternately reducing and increasing the angle of attack is superimposed on the continuous change of the angle of attack over the angular range, preferably successively with different repetition frequencies. That is, the angular range is successively in both directions with different repetition frequencies when alternately reducing and enlarging the Override the angle of attack. Specifically, the different repetition frequencies may include 1 Hz, 2 Hz and 3 Hz.

Auch wenn der Zeitraum, über den das kontinuierliche Verändern des Anstellwinkels erfolgt, um ein Vielfaches länger ist als jede Wiederholung des Verkleinerns und Vergrößerns des Anstellwinkels und beim Überfahren des Winkelbereichs in beiden Richtungen sogar mindestens 20-mal so lang ist, ist der absolute Zeitraum, über den das kontinuierliche Verändern des Anstellwinkels über den Winkelbereich hinweg erfolgt, mit typischerweise maximal 25 Sekunden vergleichsweise kurz. Dieser Zeitraum fällt für jede unterschiedliche Wiederholungsfrequenz an. Zusätzlich fällt er für ein zusätzliches Verändern des Anstellwinkels ohne Überlagerung mit dem wiederholten wechselweisen Verkleinern und Vergrößern des Anstellwinkels an, um auf Basis der dabei gemessenen Kräfte und/oder Momente auf das Objekt statische Kennwerte des die strömungsdynamischen Eigenschaften des Objekts beschreibenden nichtlinearen mathematischen Modells zu bestimmen.Although the period of time over which the angle of attack is continuously changed is many times longer than each repetition of reducing and increasing the angle of attack, and even exceeding at least 20 times as long in both directions when the angular range is exceeded, the absolute time is over which the continuous change of the angle of attack over the angular range takes place, with typically a maximum of 25 seconds comparatively short. This period occurs for each different repetition frequency. In addition, for an additional change in the angle of incidence without overlapping, it occurs with the repeated alternately reducing and increasing the angle of attack in order to determine static characteristics of the non-linear mathematical model describing the fluid-dynamic properties of the object on the basis of the forces and / or moments measured on the object ,

Vorzugsweise werden jedoch nur Anfangswerte für diese statischen Kennwerte aus den Kräften und Momenten bestimmt, die während des Veränderns des Anstellwinkels ohne überlagertes schnelles Verkleinern und Vergrößern gemessen werden. Die endgültige Bestimmung auch der statischen Kennwerte erfolgt dann durch Anpassen des nichtlinearen mathematischen Modells an die Kräfte und/oder Momente, die gemessen werden, wenn dem langsamen Verändern des Anstellwinkels eine schnelle Veränderung in Form des wiederholten wechselweisen Verkleinerns und Vergrößerns des Anstellwinkels überlagert wird.Preferably, however, only initial values for these static characteristics are determined from the forces and moments measured during the change of the angle of attack without superimposed rapid shrinking and enlarging. The final determination of the static characteristics is then done by fitting the nonlinear mathematical model to the forces and / or moments measured when superimposing a rapid change in the form of the repeated alternately reducing and increasing the angle of attack on the slow change of the angle of attack.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren steht keine ausreichende Datenbasis für eine Auswertung im Frequenzbereich zur Verfügung. Überraschenderweise ermöglicht es aber die Auswertung im Zeitbereich unter Berücksichtigung des nichtlinearen mathematischen Modells der strömungsdynamischen Eigenschaften des Objekts, die statischen und dynamischen Kennwerte der strömungsdynamischen Eigenschaften des Objekts mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, was durch ein hohes Maß an Übereinstimmung der nach dem angepassten nichtlinearen Modell vorhergesagten Kräfte und Momente mit den tatsächlich gemessenen Kräften und Momenten bestätigt wird. Praktisch ist die Genauigkeit deutlich höher als sie bei dem bekannten Verfahren mit Auswertung im Frequenzbereich erreicht wird. Dabei beschränkt sich die höhere Genauigkeit nicht auf die dynamischen Kennwerte. Vielmehr werden auch die statischen Kennwerte durch die Anpassung des nichtlinearen Modells mit höherer Genauigkeit bestimmt.In the method according to the invention, there is no adequate database for evaluation in the frequency domain. Surprisingly, however, the evaluation in the time domain, taking into account the nonlinear mathematical model of the fluid dynamic properties of the object, allows the static and dynamic characteristics of the fluid dynamic properties of the object to be determined with high accuracy, which is predicted by a high degree of agreement of the modeled nonlinear model Forces and moments are confirmed with the actual measured forces and moments. Practically, the accuracy is significantly higher than that achieved in the known method with evaluation in the frequency domain. The higher accuracy is not limited to the dynamic characteristics. Rather, the static characteristics are determined by the adaptation of the non-linear model with higher accuracy.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can take effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Without thereby altering the subject matter of the appended claims, as regards the disclosure of the original application documents and the patent, further features can be found in the drawings, in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren aufweist.The features mentioned in the patent claims and the description are to be understood in terms of their number that exactly this number or a greater number than the said number is present, without requiring an explicit use of the adverb "at least". For example, when talking about an element, it should be understood that there is exactly one element, two elements or more elements. These features may be supplemented by other features or be the only features that the respective method has.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference numerals contained in the claims do not limit the scope of the objects protected by the claims. They are for the sole purpose of making the claims easier to understand.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.In the following the invention will be further explained and described with reference to preferred embodiments shown in the figures.

1 zeigt Auswerteergebnisse von Windkanalversuchen unter Anwendung eines linearen mathematischen Modells der strömungsdynamischen Eigenschaften des untersuchten Objekts. 1 shows evaluation results of wind tunnel tests using a linear mathematical model of the flow dynamic properties of the investigated object.

2 zeigt Auswerteergebnisse zu denselben Windkanalversuchen, wie sie 1 zugrunde liegen, unter Anwendung eines nichtlinearen mathematischen Modells der strömungsdynamischen Eigenschaften des untersuchten Objekts. 2 shows evaluation results for the same wind tunnel tests as they 1 using a non-linear mathematical model of the fluid dynamic properties of the object under investigation.

3 illustriert die Überlagerung eines schnellen Verkleinerns und Vergrößerns des Anstellwinkels mit einer langsamen Veränderung des Anstellwinkels bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für verschiedene Wiederholungsfrequenzen. 3 illustrates the superimposition of a rapid reduction and increase in the angle of attack with a slow change in the angle of attack in the inventive method for different repetition frequencies.

4 illustriert die bei den sich gemäß 3 ändernden Anstellwinkeln gemessenen Gesamtauftriebs-, -widerstands- und -nickmomentenbeiwerte. 4 illustrates the in accordance with 3 change in angles of attack measured total buoyancy, drag and pitch moment coefficients.

5 zeigt die Auswerteergebnisse von erfindungsgemäßen Winkanalversuchen gemäß den 3 und 4 unter Anwendung eines nichtlinearen mathematischen Modells der strömungsdynamischen Eigenschaften des untersuchten Objekts. 5 shows the evaluation results of Winkanalversuchen invention according to the 3 and 4 using a nonlinear mathematical model of the fluid dynamic properties of the object under investigation.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

1 zeigt Auftragungen des Gesamtauftriebsbeiwerts C_A über dem Anstellwinkel Alfa für Windkanalversuche nach dem Stand der Technik, bei denen Ausgangswinkel für den Anstellwinkel von 0°, 5°, 7,5°, 10° und 12,5° mit Wiederholungsfrequenzen von 1 Hz, 2 Hz und 3 Hz über jeweils ±5° periodisch verkleinert und vergrößert werden. Dabei ist der gemessene Gesamtauftriebsbeiwert C_A mit durchgezogenen Linien wiedergegeben, während mit gestrichelten Linien der erwartete Verlauf des Gesamtauftriebsbeiwerts C_A wiedergegeben ist, der sich bei optimaler Anpassung eines linearen Modells der strömungsdynamischen Eigenschaften des untersuchten Objekts an die Messwerte ergibt. 1 shows plots of the total lift coefficient C _A over the prior art wind tunnel angle of attack Alfa, where angle of attack angles are 0 °, 5 °, 7.5 °, 10 ° and 12.5 ° with repetition frequencies of 1 Hz, 2 ° Hz and 3 Hz over each ± 5 ° periodically reduced and enlarged. In this case, the measured total lift coefficient C _{A is represented} by solid lines, while dashed lines show the expected course of the total lift coefficient C _A , which results from optimally fitting a linear model of the flow dynamic properties of the object under investigation to the measured values.

Das verwendete lineare Modell beschreibt die strömungsdynamischen Eigenschaften durch die Gleichungen: C_A = C_A,stat + C_Aq q* C_W = C_W,stat + C_Wq q* C_m = C_m,stat + C_mq q* The linear model used describes the fluid dynamics properties through the equations: C _A = C _A, C _stat + q * _Aq C _W = C _{W, stat} + C _Wq q * C _m = C _{m, stat} + C _mq q *

Dabei ist C_A der bei periodisch verkleinertem und vergrößertem Anstellwinkel gemessene Gesamtauftriebsbeiwert, C_A,stat der vorab statisch im Windkanal gemessene Gesamtauftriebsbeiwert, C_Aq das dynamische Derivativ, d. h. die Ableitung von C_A nach der dimensionslosen Nickrate q* und die q* die dimensionslose Nickrate selbst.Where C _A is the value measured at periodically reduced and enlarged angle Gesamtauftriebsbeiwert, C _{A, stat} of the previously static measured in the wind tunnel Gesamtauftriebsbeiwert, C _Aq the dynamic derivative, ie the derivative of C _A to the non-dimensional pitch rate q * and the q *, the dimensionless Pitch rate itself.

Entsprechend ist C_W der bei periodisch verkleinertem und vergrößertem Anstellwinkel gemessene Gesamtwiderstandsbeiwert, C_W,stat der vorab statisch im Windkanal gemessene Gesamtwiderstandsbeiwert, C_Wq das dynamische Derivativ, d. h. die Ableitung von C_W nach der dimensionslosen Nickrate q*, C_m der bei periodisch verkleinertem und vergrößertem Anstellwinkel gemessene Gesamtnickmomentenbeiwert, C_m,stat der vorab statisch im Windkanal gemessene Gesamtnickmomentenbeiwert sowie C_Wq das dynamische Derivativ, d. h. die Ableitung von C_m nach der dimensionslosen Nickrate q*.Correspondingly, C _{W is} the total resistance coefficient measured at periodically reduced and increased angle of attack, C _{W, stat of} the total resistance coefficient previously measured statically in the wind tunnel, C _Wq the dynamic derivative, ie the derivative of C _W after the dimensionless pitch rate q *, C _m at periodic Cm, _{stat of} the total nick moment coefficient previously measured statically in the wind tunnel and C _Wq the dynamic derivative, ie the derivative of C _m according to the dimensionless pitch rate q *.

Die durch die Auswertung auf Basis dieses linearen Modells ermittelten dynamischen Derivative der Flugzeuglängsbewegung, siehe auch Rudolf Brockhaus et al.: Flugregelung, dritte Auflage, Springer-Verlag, 2011, sind: C_Aq = 9,64 C_Wq = 0,196 C_mq = –21,4 The dynamic derivatives of the aircraft longitudinal motion determined by the evaluation on the basis of this linear model, see also Rudolf Brockhaus et al .: Flight Control, third edition, Springer-Verlag, 2011, are: C _Aq = 9.64 C _Wq = 0.196 C _mq = -21.4

Dabei sind Abweichungen zwischen den in 1 aufgetragenen gemessenen und nach dem angepassten Modell berechneten Werten zu höheren Anstellwinkeln Alfa und zu höherer Wiederholungsfrequenz, d. h. höherer Nickrate, hin auffällig. Dies gilt genauso für die hier nicht dargestellten Gesamtwiderstands- und Gesamtnickmomentenbeiwerte.There are differences between the in 1 Plotted measured and calculated according to the adjusted model to higher angles of attack Alfa and higher repetition frequency, ie higher pitch rate, conspicuous. This also applies to the total resistance and total momentum coefficients (not shown here).

2 zeigt mit durchgezogenen Linien dieselben Messwerte des Gesamtauftriebsbeiwerts C_A über denselben Anstellwinkeln Alfa wie 1, aber im Vergleich zu mit gestrichelten Linien wiedergegebenen Werten, die aus einem optimal angepassten nichtlinearen mathematischen Modell der strömungsdynamischen Eigenschaften des untersuchten Objekts resultieren. 2 shows with solid lines the same measured values of the total lift coefficient C _A over the same angles of attack Alfa as 1 but compared to dashed-line values resulting from an optimally fitted nonlinear mathematical model of the flow dynamic properties of the object being studied.

Das verwendete nichtlineare Modell beschreibt die strömungsdynamischen Eigenschaften durch die Gleichungen: C_A = C_A,stat + C_Aq q* + ΔC_A ^Hyst C_W = C_W,stat + C_Wq q* C_m = C_m,stat + C_mq q* The non-linear model used describes the fluid dynamics properties by the equations: C _A = C _{A, stat} + C _Aq q * + ΔC _A ^Hyst C _W = C _{W, stat} + C _Wq q * C _m = C _{m, stat} + C _mq q *

Dabei beschreibt ΔC_A ^Hyst die Hysterese des Verlaufs von C_Aα, wobei α für den Anstellwinkel Alfa steht.Here ΔC _A ^{Hyst describes} the hysteresis of the course of C _Aα , where α stands for the angle of attack Alfa.

Wenn beispielsweise von dem Dynamic Stall Modell nach Kirchhoff ausgegangen wird, das den Gesamtauftriebsbeiwert als Funktion von Alfa und einem Grad x der Strömungsablösung zwischen 0 und 1 gemäß folgender Gleichung beschreibt:

For example, assuming Kirchhoff's Dynamic Stall model, which describes the total lift coefficient as a function of Alfa and a degree x of stall between 0 and 1 according to the following equation:

Dabei ist x gemäß

aus statischen Windkanalmessungen C_A ^WK des Gesamtauftriebsbeiwerts zu ermitteln, und für α* gilt:

α* = α + τ dα / dt,

wobei τ eine dimensionslose Zeitkonstante TAU und

dα / dt

die Änderung des Anstellwinkels α mit der Zeit t, d. h. die originäre Nickrate ist.Where x is according to

from static wind tunnel measurements C _A ^{WK of} the total lift coefficient, and for α *:

α * = α + τ dα / dt,

where τ is a dimensionless time constant TAU and

dα / dt

the change in the angle of attack α with time t, ie the original pitch rate.

Dieses nichtlineare mathematische Modell beschreibt den realen Verlauf des Gesamtauftriebsbeiwerts C_A deutlich besser als das 1 zugrundeliegende lineare Modell. Die Derivative der Flugzeuglängsbewegung wurden durch diese Auswertung zu C_Aq = 7,2 C_Wq = 0,19 C_mq = –21,4 bestimmt. Dabei lag die Zeitkonstante TAU bei 5,02.This nonlinear mathematical model describes the actual course of the total lift coefficient C _A much better than that 1 underlying linear model. The derivatives of the aircraft longitudinal motion were added by this evaluation C _Aq = 7.2 C _Wq = 0.19 C _mq = -21.4 certainly. The time constant TAU was 5.02.

Jede der Teilauftragungen von 1 und 2 beruht auf einer 30 Sekunden dauernden Messung der Kräfte und Momente während der Anstellwinkel um seinen jeweiligen Ausgangswert wiederholt schnell verkleinert und vergrößert wird. Insgesamt dauerten die den 1 und 2 zugrundeliegenden Messungen daher 15 × 30 Sekunden = 450 Sekunden.Each of the partial orders of 1 and 2 Based on a 30-second measurement of forces and moments while the angle of attack is repeatedly reduced and enlarged by its respective output value. Overall, they took the 1 and 2 underlying measurements therefore 15 × 30 seconds = 450 seconds.

3 zeigt die Überlagerung einer jeweils gleichen langsamen, über eine Periode hinweg kosinusförmigen Veränderung 1 des Anstellwinkels Alfa von 0° bis 10° und zurück auf 0° mit einem wiederholten schnellen wechselweisen Verkleinern und Vergrößern 2 des Anstellwinkels um ±5° und mit einer Wiederholungsfrequenz von 1 Hz in 3(a), 2 Hz in 3(b) und 3 Hz in 3(c). Das schnelle Verkleinern und Vergrößern 2 des Anstellwinkels Alfa folgt hier einer Sinusfunktion. Durch die Überlagerung der langsamen Änderung 1 mit dem schnellen Verkleinern und Vergrößern 2 des Anstellwinkels Alfa ergibt sich ein Verlauf 3 des Anstellwinkels Alfa, mit dem der Winkelbereich der Veränderung 1 mit dem schnellen Verkleinern und Vergrößern 2 aus beiden Richtungen, d. h. zuerst zu größeren Anstellwinkeln Alfa und dann zu wieder kleineren Anstellwinkeln Alfa, abgefahren wird. 3 shows the superimposition of a respective same slow, over a period cosinusoidal change 1 of the angle of attack Alfa from 0 ° to 10 ° and back to 0 ° with a repeated fast alternately reducing and increasing the angle of attack 2 by ± 5 ° and with a repetition frequency of 1 Hz in 3 (a) , 2 Hz in 3 (b) and 3 Hz in 3 (c) , The fast shrinking and enlarging 2 of the angle of attack Alfa follows here a sine function. By superimposing the slow change 1 with the rapid reduction and enlargement 2 of the angle of attack Alfa results in a curve 3 of the pitch Alfa, with the angle range of change 1 with the fast zooming and zooming 2 from both directions, ie first to larger angles of attack Alfa and then to smaller angles of attack Alfa, is driven off.

Hieraus resultieren die in 4 aufgetragenen Messwerte, wobei ganz unten der zugrundeliegende Verlauf des Anstellwinkels Alfa und darüber in aufsteigender Reihenfolge der Gesamtnickmomentenbeiwert C_m der Gesamtwiderstandsbeiwert C_W und der Gesamtauftriebsbeiwert C_A aufgetragen sind. Ganz links unten in 4 ist ein Verlauf des Anstellwinkels mit nur langsamer Änderung ohne überlagertes schnelles Vergrößern und Verkleinern wiedergegeben. Aus diesem quasistatischen Verlauf des Anstellwinkels sind Startwerte für statische Kennwerte des nichtlinearen Modells ermittelbar, die dann zusammen mit den dynamischen Kennwerten des nichtlinearen Modells an die Kräfte und Momente angepasst werden, die bei den überlagerten Variationen des Anstellwinkels gemäß 3 gemessen werden.This results in the in 4 applied measured values, at the bottom of the underlying course of the angle of attack Alfa and above in ascending order of the total pitch coefficient C _m, the total resistance coefficient C _W and the total lift coefficient C _{A are} plotted. At the bottom left in 4 is reproduced a progression of the angle of attack with only slow change without superimposed fast zoom in and zoom out. Starting from this quasi-static profile of the angle of attack, starting values for static characteristic values of the nonlinear model can be determined, which are then matched together with the dynamic characteristics of the nonlinear model to the forces and moments which, in the case of the superposed variations of the angle of attack 3 be measured.

In 5 ist das Auswerteergebnis einer erfindungsgemäßen Auswertung der Daten gemäß 4 über dem Anstellwinkel Alfa aufgetragen. Wiedergegeben sind dabei unten der Gesamtnickmomentenbeiwert C_m, in der Mitte der Gesamtwiderstandsbeiwert C_W und oben der Gesamtauftriebsbeiwert C_A. Es ist offensichtlich, dass die tatsächlichen, mit durchgezogenen Linien wiedergegebenen Werte den modellierten und mit punktierten Linien wiedergegebenen Werten sehr gut folgen, was auf die gute Entsprechung zwischen dem erfindungsgemäß angepassten nichtlinearen mathematischen Modell und den strömungsdynamischen Eigenschaften des betrachteten Objekts zurückzuführen ist. Die Derivative der Flugzeuglängsbewegung wurden hier zu C_Aq = 6,7 C_Wq = 0,21 C_mq = –21,5 bestimmt, wobei die Zeitkonstante TAU = 5,04 war. Diese dynamischen Derivative der Flugzeuglängsbewegung stimmen mit den gemäß 2 für dieselbe Flugzeugkonfiguration bestimmten Modellparametern sehr gut überein. Dabei ist zu berücksichtigen, dass für die Erhebung der der Auswertung gemäß 5 zugrunde gelegten Daten, wie 4 zeigt, nur 120 Sekunden oder weniger benötigt werden, während die Datenerhebung gemäß 2 450 Sekunden dauerte und damit mehr als dreimal so lang war. Auch die statischen Kennwerte des die strömungsdynamischen Eigenschaften des Objekts beschreibenden nichtlinearen mathematischen Modells können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Anpassung ihrer Startwerte an die im dynamischen Versuch ermittelten Messwerte sehr genau bestimmt werden.In 5 is the evaluation result of an evaluation of the data according to the invention 4 applied over the angle of attack Alfa. At the bottom, the total lean-moment coefficient C _{m is shown} , in the middle the total drag coefficient C _W and at the top the total lift coefficient C _A. It is obvious that the actual values represented by solid lines follow the modeled and dotted line values very well, which is due to the good correspondence between the nonlinear mathematical model adapted according to the invention and the flow dynamic properties of the object under consideration. The Derivative of the aircraft longitudinal movement were here too C _Aq = 6.7 C _Wq = 0.21 C _mq = -21.5 determined, with the time constant TAU = 5.04. These dynamic derivatives of the aircraft longitudinal motion are in accordance with the 2 for the same aircraft configuration specific model parameters very well. It should be noted that for the survey of the evaluation in accordance with 5 underlying data, such as 4 shows only 120 seconds or less are needed while collecting data according to 2 It took 450 seconds and was more than three times as long. The static characteristic values of the nonlinear mathematical model describing the fluid-dynamic properties of the object can also be determined very precisely in the method according to the invention by adapting their starting values to the measured values determined in the dynamic test.

Claims

Method for carrying out and evaluating flow channel tests on an object, the method comprising: - flowing the object with a flow having a flow main direction, - repeatedly alternately reducing and increasing an angle of attack of the object with respect to the flow main direction with at least one repetition frequency, Measuring forces and / or moments which act on the object as a result of the changing angle of attack, and adapting dynamic characteristics of a mathematical model describing a fluid dynamic properties of the object to the measured forces and / or moments, characterized in that the repeated alternately reducing and increasing the angle of attack is superimposed on a continuous change in the angle of attack, which extends over an angular range of at least 5 ° and over a period which is at least 10 times as long as a reciprocal of the at least one repetition frequency, and - That the dynamic characteristics in the time domain are adapted to the measured forces and / or moments, wherein the mathematical model describing the fluid dynamic properties of the object is a non-linearly dependent on the angle of attack model.

A method according to claim 1, characterized in that the angle of attack has a steady course.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the angular range over which the continuous variation of the angle of attack extends, is at least 10 °.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the angle of attack is changed continuously starting with an initial value and ending with the same initial value.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the angular range over which the continuous variation of the angle of attack extends, covers at least the angle of attack of 0 ° to 10 °.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the repeated alternately reducing and increasing the angle of attack varies the angle of attack by plus / minus 3 ° to 7 °.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the repeated alternately reducing and increasing the angle of attack is superimposed on the continuous change of the angle of attack over the angular range successively with different repetition frequencies.

A method according to claim 7, characterized in that the different repetition frequencies comprise 1 Hz, 2 Hz and 3 Hz.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the period over which the continuous change of the angle of attack takes place, is a maximum of 25 s.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the angle of attack is additionally changed without overlapping with the repeated alternately reducing and enlarging over the angular range and that from the thereby measured forces and / or moments acting on the object by the flow, start values for static characteristics of the nonlinear mathematical model describing the fluid dynamic properties of the object.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the static characteristics of the nonlinear mathematical model describing the fluid dynamic properties of the object are also adapted to the forces and / or moments involved in the superposition of the repeated alternately reducing and increasing the angle of incidence with the continuous one Changing the angle of attack can be measured.