XWing - ein Wirbel-Gitter Code

In zunehmendem Maße werden auch im Modellsport mathematische Verfahren zur aerodynamischen Auslegung und Optimierung von Tragflügeln verwendet. Die meisten frei verfügbaren und im Amateurbereich eingesetzten Verfahren unterliegen jedoch Einschränkungen bezüglich der möglichen Flügel-Konfigurationen. Häufig sind nur planare Konfigurationen möglich, Mehrflügel-Anordnungen (Doppeldecker) oder andere signifikante Abweichungen von der planaren Form (Winglets) können nicht erfaßt werden. Hier soll daher ein Ansatz verfolgt werden, der keinerlei Einschränkungen bezüglich der zugrundeliegenden Geometrien unterliegt.

Das komplette Strömungsfeld um ein Flugzeug zu beschreiben ist eine mathematisch recht aufwendige und generell höcht rechenintensive Angelegenheit. überlicherweise macht man also Vereinfachungen, die es erlauben, bestimmte Aspekte der Strömung mit vertretbarem Aufwand zu beschreiben. Jedem geläufig ist der Bregriff des Profils eines Tragflügels. Man muß sich aber bewußt sein, daß dieser Begriff eine Vereinfachung impliziert, nämlich die eines (2-dimensional zu beschreibenden) unendlich ausgedehnten konstant profilierten Flügels. Für diesen Aspekt des "Problems" Tragflügel gibt es Software, die es erlaubt, das Auftiebs- Widerstands- und Momenten-Verhalten von "Profilen" zu berechnen.

Mindestens genauso wichtig, wie das Profil eines Tragflügels sind jedoch auch die geometrischen Umrisse, bestimmen sie doch, Inwieweit das "Profil" seine Eigenschaften tatsächlich ausspielen kann. Das Schlagwort, das mit der Erweiterung des 2-dimensionalen "Profils" in die dritte Dimension einhergeht ist die "Auftriebsverteilung" oder die Frage in welchem "Betriebszustand" das "Profil" an jeder einzelnen Stelle des Flügels eigentlich arbeiten muß. Die Frage nach der "Auftriebsverteilung" ist besonders bei der Auslegung von schwanzlosen Flugzeugen zu stellen, bestimmt sie jedoch maßgeblich die Stabilitäts- und Flug-Eigenschaften. Für alle, die in diese Materie mal hineinschnuppern wollen, empfehle ich das Programm NURFLÜGEL von Frank Ranis , derzeit unter der Entwicklung von Herbert Stammler. Weil mir das nicht ganz gereicht hat, hab ich mich zu einer Eigenentwicklung verleiten lassen. Herausgekommen ist XWING, ein Programm, das beliebig viele und beliebig angeordnete Flügelflächen in ihrer Wechselwirkung berechnen kann. Das können Nurflügel mit Winglets sein, Doppel- und Mehrdecker, komplette Flugzeuge mit Leitwerken ...

XWING reduziert die gesamte Flügelei auch wieder auf ein irgendwie 2-dimensionales Problem (wenn auch im 3-dimensionalen Raum). Berechnet wird eine Anzahl von Flächen, die jeweils in der Profilsehne der eingegebenen Geometrie liegen und in ihrer Wölbung der Profilwölbung entsprechen. Nicht berechnen kann man mit diesem Ansatz die Druck- und Reibungswiderstände am "Profil". Dafür braucht es den separaten Blick in die Profil-Polaren. Eine komplette Leistungsrechnung ist also nicht möglich. Vielleicht wird es sowas in ferner Zukunft in Version 42.0 dieser Sofware mal geben , aber im Moment ist dergleichen nicht vorgesehen.

XWING basiert auf einem sogenannten Wirbelgitterverfahren, das sich vom einfachen strukturellen Aufbau, dem Bedarf an Rechenzeit und der erreichbaren Genauigkeit anbietet. Alle Flügel werden dabei sowohl in Spannweiten- als auch in Tiefenrichtung in Elementarflügel zerlegt. Jeder dieser Elementarflügel wird mit einem diskreten Hufeisenwirbel belegt, dessen gebundener Teil auf der l/4-Linie des Elementarflügels liegt und dessen freie Enden sich vom Rand des Elementarflügels in x-Richtung bis ins Unendliche erstrecken. Auf jedem Elementarflügel wird bei 3/4 der Tiefe ein Kontrollpunkt platziert, in dem die induzierten Strömungsgeschwindigkeiten des gesamten Wirbelsystems berechnet werden. Dilschnittes führt zu einem linearen Gleichungssystem, dessen Lösung die Stärke der einzelnen Hufeisenwirbel liefert.

So, und wer es geschafft hat, bis herher zu lesen, soll nun auch erfahren, wo er das Programm herbekommt. Dokumentation und Donwnload-Seiten findet mann beim

MFC Rossendorf -> Projekte -> XWing

oder hier ohne Frame.

Sehr bald gibt es das Programm auch beim Nurflügel-Team (Zanonia.de)

So, zum Schluß noch zwei Bildchen, die euch die Software etwas schmackhaft machen sollen
Viel Spaß damit, und ich freue mich über Kommentare !

Hab's noch nich ausprobiert, aber wenn es auch nur halbwegs gut funktioniert, dürfte es das Werkzeug sein, welches lange gefehlt hat.
Bin gespannt!

Erstmal im vorraus danke, für die Arbeit, die du uns damit zur Verfügung gestellt hast!

Kurbel

Lieber Ulf Lehnert

super, vielen Dank für die grosse und grosszügige Arbeit.

Liebe Grüsse

Peter

Es geht noch weiter. Auf Anregung von Herbert Stammler fange ich jetzt an,
einen Konverter für die Ranis-Eingabedateien *.flg in das XWing Format zu schreiben.
Dann kann man seine Geometrien im Ranis entwickeln und muß "nur noch"
Winglets etc. von Hand hinzufügen. Auch die Profil-Konvertierung werde ich da gleich mit einbauen.
Wird aber ein paar Wochen dauern (weil ich es selbst ja eigentich nicht
brauche das Format ist schließlich daraufhin angelegt, daß man die Geometrie
im Blindflug reinhackt). Und auch die Dokumentation brauch ja noch einiges an Erweiterung und Überarbeitung.

Mir persönlich gefällt der Aufbau des X-Wing. Durch die Eingabedatei ist es sehr einfach externe Programme damit zu koppeln. Ich habe zum Beispiel für Vortex eine Catia Schnittstelle, so dass die Flügelgeometrie gleich als CAD Modell in Catia ausgegeben wird. So etwas ist hier auch möglich und noch vieles mehr.

Dieses Wochende werde ich mich mal tiefer in das Programm einarbeiten.

Grüße aus Hessen

Bernd

Vorallem die Tatsache, dass man beliebige Geometrien rechnen kann ist ein deutlicher Fortschritt. Dadurch kann man auch Solche Winglets rechnen:



Die Ergebnisse dürften interessant sein.

Könnte mal einer von euch ein kleines Tutorial dazu machen? Irgendwie versteh ich nur Bahnhof ...

Bei mir öffnet sich unter xp ne schwarze Box mit Text. Darunter steht xwing und der prompt blinkt ... was geb ich nun ein, um Geometrien anzulegen oder anzusehen, Dateien zu öffnen usw !?!

Peter K schrieb:

Könnte mal einer von euch ein kleines Tutorial dazu machen? Irgendwie versteh ich nur Bahnhof ...

Bei mir öffnet sich unter xp ne schwarze Box mit Text. Darunter steht xwing und der prompt blinkt ... was geb ich nun ein, um Geometrien anzulegen oder anzusehen, Dateien zu öffnen usw !?!

Zum Vergrößern anklicken....

Es ist schon von Vorteil, wenn man schon mal mit einem ähnlichen textbasierten Programm wie XFoil oder AVL gearbeitet hat .
Aber im Ernst: Die Geometriedatei erstellt und speichert man mit irgendeinem Texteditor. Ulf hat ja einige Beispiele mit beigefügt, die man sich anschauen und als Vorlage verwenden kann.
Wenn das abgeschlossen ist, lässt sich die Geometriedatei durch Eingabe von "load namedergeometrie" in XWing laden. Danach kann man dann mit den Daten arbeiten (also Berechnung "EXEC"utieren "GEO"metrie anzeigen etc.)

Eine Schnittstelle zum Einlesen der Ranis-Dateien wäre übrigens wirklich sehr hilfreich, weil es sonst zur (erstmaligen) Geometrieeingabe in Textform schon einiger räumlicher Vorstellungskraft bedarf.

Friedmar

Zwei Dinge gehen nicht eindeutig genug aus der Anleitung hervor. Ich hoffe ich habe es nicht einfach überlesen.

Das eine ist warum die beiden Zeilen die das Flügelprofil darstellen zwei mal auftaucht. Ich vermute mal es ist einmal das innere und das andere mal das äußere Profil des Segments.

Das zweite ist, wo kann der Winkel des Wölbklappenausschlags eingetragen werden? Ich hoffe ich muß nicht erst die Koordinaten des Flügelprofils für eine ausgeschlagene Klappe aufbereiten. Bevor ich Chamber drüberlaufen lasse.

Der Rest ist wirklich in der Anleitung gut und übersichtlich erklärt, aber diese beiden Punkte sind für mich noch unklar.

Grüße aus Hessen

Bernd

Pfeiffer schrieb:

(...)
Das eine ist warum die beiden Zeilen die das Flügelprofil darstellen zwei mal auftaucht. Ich vermute mal es ist einmal das innere und das andere mal das äußere Profil des Segments.

Zum Vergrößern anklicken....

Also ich habe das genauso interpretiert. Die erste Flügelprofildefinition gilt für den zuerst eingegebenen Panel-Rand (z. B. links) und die zweite für den anderen.

Pfeiffer schrieb:

Das zweite ist, wo kann der Winkel des Wölbklappenausschlags eingetragen werden? Ich hoffe ich muß nicht erst die Koordinaten des Flügelprofils für eine ausgeschlagene Klappe aufbereiten. Bevor ich Chamber drüberlaufen lasse.

Zum Vergrößern anklicken....

Die Tiefe der jeweiligen Klappe wird durch die Eingabe der Anzahl der Klappenpanels (3. Zeile, 3. Zahl im jeweiligen Flügelsegment) im Geometriefile vorgegeben und der Ausschlagswinkel direkt im xwing-prompt mit dem Befehl "flap n x", wobei n die Nummer der Klappengruppe bezeichnet (so wie im Ranis-Programm) und x den Ausschlagswinkel. Ausprobiert habe ich das noch nicht, aber so erscheint es mir logisch.

Friedmar

So die ersten Rechnungen sind gemacht. Es ist ein recht schönes Programm, wenn man sich erst mal eingedacht hat ist es recht einfach zu bedienen. Die Ergebnisse scheinen auf den ersten Blick mit denen von Vortex identisch zu sein zumindest bei ebenen Geometrien. Bei Wingletrechnungen kann XWing deutlich mehr, so dass hier kein Vergleich möglich ist.

Eine Sache vermisse ich aber noch, beziehungsweise habe ich noch nicht gefunden. Ich hätte die Ergebnisse wie zum Beispiel die Auftriebsverteilung in einer Ausgabedatei aufgelistet. Dann könnte man die Ergebnisse auch graphisch aufarbeiten und mit anderen Rechnungen vergleichen. Aber es kann auch sein, dass ich diese Funktion noch nicht gefunden habe.

Als nächstes vergleiche ich die berechneten Schwerpunkte mit erflogenen.

Grüße aus Hessen

Bernd

So, jetzt habe ichs mir mal etwas angeguckt und finde es wirklich großartig, vor allem, weil die Struktur der Eingabedatei auch für mich durchschaubar ist.
Sowas kann man durchaus von Hand eingeben.

Die Frage nach der Ausgabedatei habe ich mir auch schon gestellt.
Wenn ichs richtig verstehe, ist der Printbefehl dafür da.

Na erstmal werden alle möglichen Modelle da reingehackt und mit Ranis und der Realität verglichen, zum Erfahrungen sammeln.

Kurbel

Fragen

Fragen

[size=+1]1) Profildaten[/size]
Also Friedmar hat mit seiner Interpretation absolut recht.
Das Profil steht zweimal da, einmal für den ersten (meist linken) einmal für den zweiten Rand des Segments.
Das braucht man, um Straks einzugeben, alle Zwischenwerte berechnet das Programm selbst.

[size=+1]2) Zu den Klappen[/size]
Wie Friedmar schreibt - die dritte Zahl ist die Anzahl der (Tiefen-) Segmente, die auf der Klappe liegen. Also z.B.
definiert ein Segment mit 10 Unterteilungen in Spannweiten-Richtung
und 8 Unterteilungen in Tiefenrichtung, wovon die letzten 2 der Klappengruppe 1
zugeordnet werden. Die Lage der Klappenlinie wird dadurch bestimmt,
wie bei der Profil-Generierung (mit CAMBER) die Grenze zwischen dem 6. und 7. Segment gelegt wird.
Klappen-Ausschlag wird dann mit FLAP von der Kommandozeile aus eingegeben.

[size=+1]3) Daten-Export[/size]
Mit dem PRINT Befehl kann ein/aus-geschaltet werden, daß alle Ausgaben des Programmes in einer extra Datei protokolliert werden. Dort erscheint dann auch die (sonst als Bildschirmausgabe ziemlich längliche und unleserliche) Tabelle mit den Zirkulationsstärken und lokalen Beiwerten. Analog arbeitet der DEBUG Befehl, allerdings schreibt der noch weiter Unmassen interner Daten mit in die Datei.

Tutorial

Tutorial

Das Programm wird ganz archaisch durch eintippen von Kommandos bedient.
Das was man eintippen muß ist im folgenden fett geschrieben.
Jede Eingabe ist mit <return> abzuschließen.

1. Programm starten.
Linux : ./xwing
Windows : Doppelclick auf xwing.exe
man landet bei einer Eingabeaufforderung xwing>

2. Liste der verfügbaren Kommandos anzeigen.
h(elp)

3. Eines der Beispiele laden.
load Examples/Simple.xw

4. Geometrie ansehen. Es öffnet sich ein extra Fenster für die Grafik-Ausgabe.
geo

5. Eigentliche Berechnung starten.
exec

6. Einen Flugzustand angeben. Alle möglichen Daten werden ausgegeben.
cl 0.4

7. Auftriebsverteilung ansehen.
gamma

8. Verteilung der Beiwerte ansehen.
cx

Konverter

Konverter

Das folgende Tool übernimmt die Konvertierung von Ranis- zu XWing-Dateien weitgehend automatisch:
http://home.arcor.de/thomas.broell/ranis2xwing.jar

Zu starten mit Java5 und der Kommandozeile
java -jar <Pfad zu ranis2xwing.jar> <Ranis-Datei> <neue XWing-Datei>

Anbei der Ranis- und XWing-Output einer konvertierten Ranis-Datei eines wohlbekannten Modells. Wenn man die Winglets im Ranis als eigene Datei (Flügel bestehend aus linkem und rechtem Winglet) eingibt und diese konvertiert kann man auch recht schnell die Segmente der Winglets zur Flügel-Datei hinzufügen - vor allem da der Konverter Profile und Klappen übernimmt.

Thomas

He, das ist ja klasse! Wie programmiert man sowas so schnell ?!
Muß ich sofort testen. Spitze!

es gibt noch mehr ...

es gibt noch mehr ...

indem es da noch viel mehr Code gibt und das daher nur wenig Arbeit war.

Ich wollte das auch schon mit Vortex machen, habe da aber nicht so einfach den Einstieg gefunden wie bei XWing. XWing finde ich übrigens super gemacht, Danke !

Es existiert bei mir eine Oberfläche zur Ansicht und zum Export von Profilen, wobei auch Online-Profil-Datenbanken angezapft werden können. Außerdem wollte ich das Programm um einen Modell-Designer erweitern der die gängigen Formate (Ranis, Vortex, XWing, ..) EXportieren kann. Die GUI kann das 3D-Modell auch schon darstellen, es gibt aber keinen Editor dafür - aber jetzt eben Import/Export. Wäre aber schön wenn man das Modell an einer Stelle definiert und dann in mehreren Programmen analysieren kann.

Ich werde das aber noch aktualisieren .... irgendwann ...

Thomas

Das ist einfach genial! So eine grafische Geometrie-Eingabemöglichkeit hatte ich mir auch für die (fernere) Zukunft vorgestellt und auch dafür Java ins Auge gefaßt. Das sowas in Ansätzen schon existiert ist natürlich noch besser! Immerhin kann man ja jatzt das Ranis als Eingabetool "mißbrauchen". Aber Dein Ansatz etwas universelles zu machen ist der richtige Weg. Das müssen wir unbedingt gemeinsam weiter verfolgen.

Im Moment hab ich nur ein kleines Problem - ich krieg's nicht zum Laufen
Auf allen mir zugänglichen Rechnern ist bestenfalls die JRE-1.4.x installiert und die macht's nicht. Kann man versuchen, den Code einigermaßen abwärtskompatibel zu halten? Ich installiere jetzt schon die dritte JRE parallel auf meinem Rechner. Aber ist wahrscheinlich nur meine Blödheit.

Thomas, du hast ne PM, schick mir mal ne e-Mail

OK, es läuft

Erster Eindruck :
- Die Übertragenen Geometrien stimmen.
- Es wird eine sinnvolle Unterteilung in Spannweitenrichtung gemacht. Eventuell etwas zu fein, das gibt etwas lange Rechenzeiten im XWing. (Oder mein Rechner ist zu lahm.)
- Das Profil scheint richtig übernommen zu werden, exakt verglichen habe ich es noch nicht.
- Die Unterteilung in Tiefenrichtung ist etwas komisch. Es werden 15 Panels generiert (auch hier meine ich, etwas zu viele) und genau das letzte bildet eine eventuelle Klappe. Damit ist aber das letzte Segment häufig deutlich tiefer als die unmittelbar davorliegenden, was zu Rechenfehlern führen kann. Hier würde ich mir eine Möglichkeit wünschen, manuell einzugreifen. Die Summe der Panel-Tiefen MUSS EXAKT 1.00000000 ergeben, das funktioniert aufgrund von Rundungsfehlern nicht immer.
- Die Klappen-Nummern kann man nicht direkt aus dem Ranis übernehmen, die müssen von 1 an fortlaufend vergeben werden.

Also, etwas Feintuning braucht es noch, aber der Grundstock ist da. Gute Arbeit !

Hallo zusammen,

auch von mir ein riesen Kompliment für dieses feine Werkzeug. Hochachtung und Danke dafür. Es gibt mir die Möglichkeit viele Fragen zu beantworten. Mir gefällt sogar die Eingabemaske garnicht schlecht, auch wenn recht viel zu tippen ist. Bei dem Ranis ist es z.B. echt doof, wenn man die Spannweite ändert will. Da kann man eigentlich von vorn beginnen.


Gruß Paul

hier finde ich übrigens schön zu sehen, warum Wirbelleiterverfahren sehr gut sind.