Die erste Möglichkeit besteht darin, dass der CFD in Ihrem Cad nicht so ausgefeilt ist wie die Software, die von den Ingenieuren von Boeing verwendet wird. Dies bedeutet, dass Ihr Design möglicherweise Fehler aufweist, die nicht in Ihrer Software, sondern in Boeings (oder nicht einmal dort, sondern in einem Windkanal) auftreten.

Zweitens habe ich nur eine Flugkonfiguration gesehen getestet werden. Flugzeuge können mehr als nur in großer Höhe fliegen, und die Winglets müssen unter allen Bedingungen gut sein. Sie dürfen insbesondere das Stall- und Spinverhalten nicht negativ beeinflussen.

Ihre Winglets sehen etwas fadenscheinig aus, und ich würde mir Sorgen machen, dass sie unter turbulenten Bedingungen abgerissen werden oder sich verformen. Diese Missbildungen würden sich auf ihre Leistung auswirken, möglicherweise zum Schlechten.

Zunächst einmal eine großartige Frage und eine großartige Untersuchung! Diese Art der Untersuchung, was passiert, bringt Sie weit, wenn Sie sich entscheiden, die Aerodynamik auf einem fortgeschrittenen Niveau (und natürlich auch in anderen Bereichen) zu betreiben. Vor nicht allzu langer Zeit musste ich einen ähnlichen Bericht schreiben: Da mir die Ressourcen und das Wissen der Luft- und Raumfahrtgiganten fehlten, fragte ich mich auch, warum ich scheinbar Entwürfe erfinden konnte, die angesichts der Dinge ihren weit überlegen zu sein schienen. Ich dachte, ich hätte Winglets kalt.

Dann ging ich zur Arbeit für Boeing und begann mit den Aerodynamikern zu sprechen. Ich habe mein Studium der Luftfahrt begonnen. Es stellt sich nicht überraschend heraus, dass es eine Menge gibt, die man aus Lehrbüchern und öffentlich verfügbaren Daten für Studenten nicht herausholen kann. Obwohl ich hier offensichtlich nicht erschöpfend sein kann - und wahrscheinlich nicht einmal Ihre Frage auf den Brief beantworten werde -, kann ich Ihnen ein paar Dinge zum Nachdenken geben. Um es klar auszudrücken, ich würde mit Ihrer Modellierung und Simulation nicht viel weiter gehen als Sie, aber wenn Sie einige Diskussionspunkte für Ihre Arbeit wünschen, sind einige in keiner bestimmten Reihenfolge aufgeführt. Ich habe einige Annahmen über Ihren Kenntnisstand getroffen. Bitte verzeihen Sie mir, wenn es bevormundend ist, und fragen Sie mich, ob Sie eine Klärung benötigen.

Die Genauigkeit Ihres Basismodells

Die Winglets ... waren die des 737MAX ... Der Wing ist der gleiche wie der eines 737NG.

Auf welchen Daten haben Sie Ihr Modell basiert? Der Flügel eines 737 ist keine einfache Sache eines Tragflügels, einer Verjüngung und einer Verdrehung. Ich stelle fest, dass Sie keine Gondeln / Pylone oder Klappenverkleidungen aufgenommen haben. Das Design eines Serien-Winglets hängt stark von der Integration des gesamten Wing-Designs ab, einschließlich aller zusätzlichen Komponenten, die daran hängen.

Der Grund, warum die 737 MAX-Winglets effektiv sind

Der 737 MAX verwendet das sogenannte Advanced Technology (AT) Winglet. Wir wissen, dass eine gut gestaltete Flügelverlängerung aerodynamisch effizienter ist als ein Winglet. Die Flügelspannweite des 737 muss jedoch innerhalb bestimmter Grenzen bleiben, um mit der gleichen Bodeninfrastruktur wie die Vorgängermodelle arbeiten zu können. Daher ist ein Winglet eine gute Lösung. Aber was wäre, wenn wir von beidem etwas haben könnten? Nun, das AT-Winglet macht genau das:

Das untere Winglet ist so konfiguriert, dass eine Aufwärtsauslenkung des Flügels bei einer Flugbelastung von ungefähr 1 g das untere Winglet verursacht sich von der statischen Position nach oben und außen in eine Position während des Flugs zu bewegen, was zu einer effektiven Erhöhung der Spannweite des Flügels führt.

Um die Effizienz des AT-Winglets wirklich zu verstehen, müssten Sie Diese abgelenkte Geometrie muss modelliert werden.

Der andere Beitrag zur Wirksamkeit des AT-Winglets ist seine natürliche laminare Strömung:

Bei früheren Winglets ist der Luftwiderstand aufgrund der Reibung durch den Luftstrom über das Winglet einer der Hauptbeeinträchtigungen für einen effizienten Luftstrom. Dies wird von Boeing mithilfe detaillierter Konstruktion, Oberflächenmaterialien und Beschichtungen gelöst Aktivieren Sie einen laminaren oder gleichmäßigeren Luftstrom über das Winglet.

Das von Ihnen modellierte Strömungsregime

Die AT-Winglets sind am effektivsten, da ihre Effizienz aggressiv ist zB über lange Kreuzfahrtstrecken mit hoher Geschwindigkeit und großer Höhe. Alles, was Sie angegeben haben, ist eine echte Fluggeschwindigkeit, aber für diese Art der Analyse von Transportflugzeugen ist die Machzahl viel wichtiger. Sie haben keine Lufttemperatur angegeben, aber aufgrund der von Ihnen angegebenen Dichte sieht es so aus, als ob sich diese Simulation auf Meereshöhe befindet, was bedeutet, dass Ihre Machzahl nicht hoch genug ist. Dies könnte jedoch teilweise Ihre Ergebnisse erklären. Beachten Sie die Drag-Kurve: Im Allgemeinen reduziert ein Spiroid Winglet wie Ihres den induzierten Widerstand auf Kosten eines parasitären Widerstands. Wie Sie sehen können, können wir uns bei niedrigeren Geschwindigkeiten einen zusätzlichen parasitären Widerstand leisten, da der induzierte Widerstand dominiert.

Wenn ich einen Vorschlag machen würde, wäre es, Ihre Simulation mit einer realistischen Machzahl (ungefähr) auszuführen 0.8) und sehen, was passiert. Aber Vorsicht ...

Die Einschränkungen Ihrer CFD-Software

Wir kommen an einen Punkt, an dem CFD, wenn es gut implementiert ist, für die Modellierung der Flugzeugleistung im Kreuzfahrtflug recht gut ist. Ein Großteil der Windkanaltests für große Flugzeuge konzentriert sich heutzutage auf Bedingungen mit hohem Auftrieb und Manövrieren, bei denen die CFD viel kürzer fällt. Natürlich möchten wir unsere CFD im Windkanal immer für alle Flugbedingungen validieren, aber für gut verstandene Konfigurationen in Kreuzfahrten stimmen die Ergebnisse hinsichtlich der Berechnung der Gesamtleistung häufig gut überein. Aber die Einschränkung "wenn gut implementiert" ist der Schlüssel. Ich persönlich habe keine Erfahrung mit SOLIDWORKS Flow Simulation, aber es sieht so aus, als wäre es eine universelle CFD-Software, daher würde ich ihren Ergebnissen für große, komplexe Hochgeschwindigkeitssimulationen wie die erforderlichen nicht zu sehr vertrauen für diese Analyse.

Insbesondere gibt es das Problem der Turbulenzen. Nicht im Sinne einer instabilen Luft, die ein Flugzeug herumwirbelt, sondern im Sinne eines chaotischen Flusses über die Flugzeugoberfläche. In der Tat so chaotisch, dass kein Computer auf der Welt die Bewegung mit einer ausreichend kurzen Rechenzeit genau modellieren kann. Stattdessen verwenden wir Turbulenzmodelle, die versuchen, das Geschehen auf eine Weise zu approximieren, die schnell genug gelöst werden kann. SOLIDWORKS verwendet das k-epsilon-Modell, das für Allzweck-Software beliebt ist, hier jedoch möglicherweise nicht die beste Wahl ist. Insbesondere die Hinweise Wilcox,

haben selbst die nachweisliche Unzulänglichkeit des [k-epsilon] -Modells für Strömungen mit ungünstigem Druckgradienten wenig dazu beigetragen, seine weit verbreitete Verwendung zu verhindern.

Da die Strömungen über Tragflächen stark von ungünstigen Druckgradienten beeinflusst werden, würde ich Vorsicht walten lassen. Ich kann Ihnen sagen, dass Boeing das Spalart-Allmaras-Turbulenzmodell in Verbindung mit der freistehenden Wirbelsimulation (Spalart ist Mitarbeiter) gut nutzt. Die Auswahl der richtigen CFD-Implementierung für ein bestimmtes Problem ist jedoch ein differenzierter Prozess, der viel Urteilsvermögen und Sorgfalt erfordert.

Zuallererst eine großartige Analyse! Ich bin kein Experte für Aerodynamik, aber nach dem, was ich weiß, sind Flugzeuge ein Kompromiss. Wenn Sie ein Flugzeug entwerfen, müssen Sie Formen herstellen, die hergestellt werden können, nicht zu viel kosten und stark sind (und den Vorschriften entsprechen). Last but not least müssen Sie den Luftwiderstand über mehrere Flugphasen und in mehreren Konfigurationen (Klappen / Lamellen) testen: nicht nur auf Kreuzfahrten und analysieren, wie sich dieses neue Design auf den Auftrieb auswirkt. Außerdem weiß ich nicht, wie genau Solidworks CFD ist: Bedenken Sie, dass der Windkanal immer noch verwendet wird, da CFD nicht perfekt genau ist.

Eines habe ich vergessen: Strukturen haben ein Gewicht. Wenn Sie für eine komplexe Form stärkeres Material verwenden müssen, hat das Flugzeug ein höheres Gewicht, das Ihre Luftwiderstandsgewinne aufhebt. Was ist der Luftwiderstandsunterschied zwischen keinem Winglet und dem B737 MAX Winglet?

Ich würde sagen, das Größte ist, dass das Computermodell mit Windkanalergebnissen validiert werden muss. Wie jeder, der mit der Klimadebatte wirklich vertraut ist, weiß, weichen Computermodelle, die versuchen, extrem komplexe Phänomene zu simulieren, häufig irgendwann von der Realität ab, und Sie müssen noch in der realen Welt testen, um das Modell zu validieren oder zu verfälschen, um es wirklich herauszufinden.

Ich würde dann wetten, dass Ihre Version eine gute Leistung erbringt, da die Modellierung nicht ausreicht, um einen subtilen Effekt zu reproduzieren, und dass Sie enttäuscht wären, wenn Sie sie in einem Windkanal testen würden.

Die Struktur Analyse ist ein bisschen ähnlich. Die computergestützte Finite-Elemente-Analyse der Struktur für Kraft und Ausdauer hat ihre eigenen Grenzen und muss noch mit einem Lauf in einem Ausdauertestgerät validiert werden. Sehr oft sind die Vorhersagen des Computers falsch. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Tests der strukturellen Ausdauerausrüstung so früh wie möglich im Produktionsprogramm abgeschlossen werden, um die Patches zu minimieren, die im Betrieb durchgeführt werden müssen, wenn beim Testen unzureichend modellierte Strukturen aufgedeckt werden.

Während alle anderen angesprochenen Punkte gültig sind, ist es auch wichtig, zu den Grundlagen zurückzukehren und zunächst zu verstehen, was Winglets tatsächlich tun sollen und was die Leistung eines Flugzeugs beeinflusst:

Winglets nicht Reduzieren Sie den 'Profilwiderstand' oder die Widerstandskraft, die vorhanden ist, wenn kein Auftrieb erzeugt wird. Sie erhöhen höchstwahrscheinlich den Profilwiderstand geringfügig. Wenn Ihre Verringerung des Luftwiderstands von einer Verringerung des Profilwiderstands herrührt, ist dies sofort verdächtig und grenzt an eine verrückte Perpetual-Motion-Maschine. Winglets reduzieren im Allgemeinen den induzierten Luftwiderstand. Dies ist der Teil Ihrer gesamten Widerstandskraft, der erzeugt wird, wenn der Flügel anfängt, Auftrieb zu erzeugen. Wie viel induzierter Widerstand erzeugt wird, hängt von der Effizienz des Flügels und seiner Spannweite ab oder von einer "effektiven Spannweite", die durch Multiplikation der physischen Spannweite mit der Effizienz des Flügels berechnet wird. Winglets sollen die "effektive Spannweite" des Flügels erhöhen, ohne die physischen Spannweitenbeschränkungen zu überschreiten. Dies bedeutet, dass die Reduzierung des Luftwiderstands umso höher ist, je mehr Auftrieb Sie erzeugen müssen oder je höher Ihr Anstellwinkel ist. Da große Verkehrsflugzeuge typischerweise bei relativ geringen Anstellwinkeln um einige wenige Hauptkreuzfahrtbedingungen herum konstruiert sind, beanspruchen sie typischerweise Verbesserungen in der Größenordnung von 2 bis 4% der Kraftstoffeffizienz durch das Hinzufügen von Winglets

Es ist wichtig, die Widerstandswerte bei gleichen Auftriebswerten und nicht bei gleichen Anstellwinkeln zu vergleichen. Bei einem bestimmten Anstellwinkel können Winglets entweder durch Verringern des Luftwiderstands oder durch Erhöhen des Auftriebs (normalerweise durch leichtes Erhöhen der physischen Spannweite) oder durch beides wirksam sein. Der wichtige Leistungsparameter, den Sie zeichnen sollten, ist der Widerstandspolar, bei dem der Auftrieb gegen den Widerstand aufgetragen wird. Ein Flugzeug fliegt in jedem Anstellwinkel, der zur Aufrechterhaltung von 1 g erforderlich ist, was von seinem Gewicht und seinen Auftriebseigenschaften abhängt. Der Anstellwinkel hat große Auswirkungen auf das Design, führt jedoch nicht zu einer Leistungssteigerung. Wenn Sie verschiedene Konfigurationen vergleichen, erhalten Sie überlagerte Drag-Polare alles, was Sie wissen müssen, einschließlich der Unterschiede zwischen den Profil-Drag-Werten. Sie sollten Ihre Simulationen mit unterschiedlichen Anstellwinkeln ausführen und die resultierenden Auftriebskoeffizienten gegen die resultierenden Widerstandskoeffizienten auftragen. Eine schnelle Überprüfung des Falls, den Sie bereits ausgeführt haben, besteht darin, sicherzustellen, dass Ihre drastische Reduzierung des Luftwiderstands nicht mit einer drastischen Reduzierung des Auftriebs einhergeht. Da sich Ihre Haupthebefläche nicht geändert hat, sollte dies nicht der Fall sein.

Alles, was alle anderen über die gelegentlichen Unzulänglichkeiten von cfd sagen, insbesondere über in CAD-Pakete integrierte „schnelle und einfache“ Lösungen, ist wahr. Ich würde jedoch immer noch keinen so drastischen Unterschied zwischen zwei relativ ähnlichen Konfigurationen erwarten, die mit derselben Software ausgeführt werden. Ich würde sicherstellen, dass absolut alles andere in den Simulationen der verschiedenen Konfigurationen gleich ist, die Änderungen beim Ziehen und Heben des Profils überprüfen und eine Flussvisualisierung durchführen, um zu verstehen, was in der Simulation passiert, um den Abfall zu verursachen. Dann würde ich prüfen, ob das Gleiche bei einer höheren Machzahl passiert. Idealerweise möchten Sie andere Softwarepakete überprüfen, aber ich verstehe, dass dies möglicherweise nicht möglich ist und außerhalb des Rahmens Ihres Aufsatzes liegt.

Zunächst herzlichen Glückwunsch zu Ihrem "out of the box" -Denken und einem interessanten Konzept!

Die vorherigen Antworten haben viele der wichtigsten Punkte getroffen. Entschuldigen Sie, wenn ich einen von ihnen wiederhole, aber hier sind meine Erste Kommentare:

1. Alle Flügelspitzenvorrichtungen (oder Verlängerungen) reduzieren den durch Auftrieb verursachten Widerstand. Der Betriebszustand beeinflusst die Menge des vorhandenen induzierten Widerstands stark. Es gibt eine quadratische Beziehung zwischen dem induzierten Widerstand und dem Auftriebskoeffizienten (CDi = CL ^ 2 / PI * AR). Daher ist es wichtig, die Leistung Ihrer Flügelspitze über einen repräsentativen Umschlag zu charakterisieren. Bei niedrigen CLs gibt es einen Überkreuzungspunkt, an dem Ihre Flügelspitze aufgrund von viskosen Verlusten und Formwiderstand eine Strafe verursacht.

2. Für die CFD-Analyse im Delta-Modus ist eine gute Darstellung des Basisflugzeugs erforderlich. Ich schlage vor, Sie testen Ihre Modellierungsmethode an einem repräsentativen Common Research Model (CRM), für dessen Validierung Windkanaldaten verfügbar sind. Die Drag Prediction Workshops sind hierfür nützlich ( https://aiaa-dpw.larc.nasa.gov/Workshop4/workshop4.html). Sie bieten Geometrie, Gitter, Windkanaldaten und Sie können die sehen Verbreitung von CFD-Vorhersagen anderer Parteien. Wenn Sie keine vernünftigen Zahlen für die Basislinie erhalten, wissen Sie, dass Ihr Ansatz Arbeit erfordert.

3. Ihr Vergleich sollte unter Bedingungen durchgeführt werden, die dem Lift entsprechen und nicht dem Alpha entsprechen. Dies kann erreicht werden, indem entweder ein Alpha-Sweep für beide Modelle durchgeführt und interpoliert wird. Abhängig von Ihrem Solver können Sie Alpha möglicherweise schweben lassen und einen festen CL festlegen (dies ist, was wir tun).

4. Die Strafe für das Biegemoment der Flügelwurzel ist ebenfalls ein wichtiger Gesichtspunkt, da die zusätzlichen Belastungen durch eine Flügelspitzenverlängerung normalerweise eine zusätzliche Holmverstärkung erfordern, die wiederum Gewicht hinzufügt und Ihren Leistungszuwachs beeinträchtigt.

5. Eine weitere Überlegung ist das zusätzliche Nickmoment, das von Ihrem Flügelspitzengerät erzeugt wird. Da die Spitze Auftrieb erzeugt und sich hinter dem Flugzeug-CoG befindet, tritt ein zusätzliches Absenkmoment auf. Dies muss durch die horizontale Heckflosse verringert werden, die eine zusätzliche Widerstandsstrafe verursacht, die wiederum Ihren Leistungsgewinn verringert.

6. Die aerodynamische Effizienz wird normalerweise in Bezug auf angegeben Lift / Drag-Verhältnis. Ich habe anhand Ihrer Modellbilder festgestellt, dass Sie nur den Flügel und den Rumpf simulieren, was in Ordnung ist. Bei der L / D-Berechnung sollten Sie jedoch die fehlenden Komponenten berücksichtigen: horizontales Leitwerk, vertikales Leitwerk, Triebwerksgondeln, Triebwerksmasten. Da die Berechnung des Auftriebs über den Luftwiderstand eine Division über den Luftwiderstand erfordert, ist diese Operation nicht linear. Die Flachplattenwiderstandstheorie kann zur Abschätzung des Widerstandsbeitrags fehlender Komponenten verwendet werden. Dadurch wird die Leistungsanalyse repräsentativer für eine vollständige Flugzeugkonfiguration.

7. Die Handhabungseigenschaften sind ebenfalls ein wichtiger Gesichtspunkt, z. B. Buffeting, Stallverhalten, Gierreaktion usw. Das ist ein sehr großer Bereich, in den ich hineinkommen muss, also werde ich es nicht tun!

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Wie auch immer, Sie können der obigen kurzen Liste entnehmen, dass viele Überlegungen angestellt werden müssen Ich hoffe, dies hilft, macht weiter so!