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Thema: Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil: Bericht

  1. #1
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    Aufpassen! Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil: Bericht

    In diesem kleinen, vierteiligen Bericht möchte ich einen Weg beschreiben, wie man sich die Profile eines Profilstraks selbst entwickeln kann, um dann am Ende die ultimative Tragfläche schlechthin zu bekommen (fast zumindest … ). Aerodynamisches Basiswissen, ein PC und gewisser Hang zum Tüfteln sind dafür bereits gute Voraussetzungen.


    Teil 1 – Von Irrungen und Wirrungen

    Diese Geschichte beginnt in einem Sommerhaus in Dänemark vor einigen Jahren. Die Tage zuvor waren Traumbedingungen mit konstant 5-7 Windstärken aus West und Fliegen bis zum „Abwinken“. Allerdings – so richtig zufrieden war ich dabei nicht: Mit den Fliegern, die ich dabei hatte, konnte ich diesen tollen Wind gar nicht richtig nutzen. Häufig war es eher ein Kampf gegen den Wind als ein Fliegen mit dem Wind … Abends schmökerte ich dann noch ein wenig in RC-Network und stieß dabei auf einen Beitrag von Philip Kolb über seinen neu entwickelten MHSD-Strak für mittelgroße Segler: Beitrag von Philip Kolb

    MHSD! Die 4 Buchstaben gingen mir danach nicht mehr aus dem Kopf. Das ist die Lösung! Mit diesem Profilstrak auf neuen Flächen würde die Luft über den dänischen Dünen nur noch so durchschnitten werden.

    Ganz nebenbei hatte ich beim Lesen durch die tollen Erläuterungen von Philip wieder Einiges dazugelernt. Vor allem war bei mir endlich der Groschen gefallen, was es mit diesen „Typ 2 Polaren“ und dem sonderbaren Re√ca – Wert auf sich hat. Eigentlich ganz simpel – nur hatte ich wohl zuvor einen ziemlichen Knoten im Kopf. Auch wurde ich neugierig, selbst einmal mit xflr5 meine ersten Polare zu berechnen. Gesagt, getan und schon bald waren die ersten Kurven auf dem Bildschirm. Whoww!

    In seinem Artikel weist Philip unter anderem darauf hin, wie eng Profil, Einsatzzweck und Auslegung auf einen bestimmten Re-Zahlbereich auf Basis von Re√ca miteinander zusammenhängen. Ein erste einfache Überschlagsrechnung zeigte, dass ich mich mit meinen geplanten 2,7m Spannweite und einem Trockengewicht um 2,5kg eher unterhalb des Entwurfsrahmens bewegte. Aber eine Portion Ballast würde es dann später schon richten und so genau muss man es sicherlich nicht nehmen …

    Im darauffolgenden Winter entstanden dann mit viel Elan, Holz und GFK die neuen Spezialflächen. Den Erstflug im Frühjahr konnte ich natürlich kaum erwarten:

    Name:  Europhia mit MHSD-Flächen.png
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    Meine Begeisterung war groß. Er flog! Und wie… Mein damaliger kurzer Beitrag

    Im Lauf der Jahren blieben aber die Tragflächen immer häufiger zu Hause. Irgendwie waren die Flugeigenschaften mit diesen Flächen in keiner Disziplin besser als die meiner anderen „normalen“ Flächen. Weder Fisch, noch Fleisch – irgendwie stumpf. Mmh. Den kurzen Gedanken, dass sich hier Philip mit seinem Entwurf ganz schön verrechnet haben musste, schob ich dann doch schnell zu Seite. Das Problem musste wohl eher bei mir liegen…!

    Nun wollte ich es genauer wissen und setzte mich an den Rechner. Diesmal ohne ein Wunsch-Rechnen. An der Flächenwurzel kam ich bei meinen typischen Fluggewichten auf einen Re√ca-Wert von 160.000. Das ist recht niedrig - au, au. Ausgelegt ist das Wurzelprofil für einen Bereich zwischen 200.000 und 240.00. Die Übrprüfung mt den Typ2 – Polare des Wurzelprofils ergaben dann dieses Bild – einmal für den Soll-Re-Zahl-Bereich, einmal für meinen Re-Zahl-Bereich:

    Name:  Polare MH30mod.png
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    Klar sind bei niedrigeren RE-Zahlen die Profilleistungen schwächer (orange Linie) – aber war die Polare nun „gut oder schlecht“? Um diese Frage zu beantworten nahm ich einfach ein Vergleichsprofil, das vielleicht eher für diesen Re-Zahlbereich ausgelegt ist, das bewährte AG40 von Mark Drela.

    Name:  Polare MH30mod-AG40.png
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    Oha! In dem niedrigeren Re-Zahlbereich schlägt „sogar“ das AG40 als Allroundprofil mein ultimatives MHSD-Profil im wichtigen ca-Bereich 0,1 - 0,4 für zügigen Hangflug. Kein Wunder - so konnte das wohl nichts werden.

    Nach einer kurzen depressiven Phase auf Grund meiner eigenen Dubbeligkeit, bei der einmal wieder der Wunsch der Vater des Gedankens war, reifte zunehmend der Plan „Das muss doch besser gehen!“.
    Gelernt hatte ich aus meinem MHSD-Projekt zumindest, wie wichtig es ist, Profil und Einsatzbereich sorgfältig aufeinander abzustimmen …


    Teil 2 – Das Projekt: Neue Flächen mit neuem Profil

    Neue Flächen sollten gebaut werden, die auch ohne viel Ballast ein flottes Fliegen am Hang erlauben und auch bei stärkerem Wind noch gut gehen. Die ersten Vorgaben waren schnell formuliert:

    • Spannweite ca. 2,8m
    • Fluggewicht typisch zwischen 1,7 und 2,3 kg
    • Flächentiefe an der Wurzel 260mm – kompatibel zu meinen anderen Flächen
    • 4 Klappen-Flügel
    • und natürlich ungemein schnell im unteren ca-Bereich. Wichtig! ;-)

    In einer ersten Iteration wurde der Grundriss der Fläche skizziert und damit der Flächeninhalt von ca. 60 dm² ermittelt. Bei dem geplanten Fluggewicht stellt sich dann eine Flächenbelastung zwischen 28 und 40 g/dm² ein. Mit FLZ-Vortex kann anschließend schnell für eine Tragflächenposition der ca-Wert und die zugehörige Re-Zahl gefunden werden. Einmal die Wurzel und dann multipliziert und schon haben wir den Wert für Re√ca. Für die Spanne des Fluggewichts ergibt sich damit für den zukünftigen Re√ca-Bereich:

    • Wurzel: 120.00 – 150.000
    • Flächenspitze: 40.000 – 60.000

    Bis hierher war’s noch recht einfach. Nur wie finde ich nun das passende Profil bzw. den passenden Profilstrak? Das ist nun die Frage schlechthin.Mit meinem Halb-Wissen in Sachen Profilentwicklung fielen mir folgende Möglichkeiten ein:

    • Try and Error: Nehme ein einigermaßen passendes, bewährtes Profil und verändere die Profildicke, die Dickenrücklage, die Wölbung und die Wölbungsrücklage so lange, bis vielleicht etwas Besseres herauskommt. Nachdem ich das schon ein paarmal mit nur mäßigem Erfolg probiert hatte, fand ich das wenig „zielführend“

    • By Design: Mach es wie die Profis. Verändere die Geschwindigkeitsverteilung auf Profil-Ober- und Unterseite so lange und so gezielt, bis das perfekte Profil fertig ist. Doch dazu braucht‘s wie beim Klavierspielen eine gute Portion Talent und noch viel mehr Übung. Beides bringe ich in zu geringem Maße mit… So geht’s also auch nicht.

    • Mit „Bitte, Bitte“: Die, wenn’s funktioniert, sicherlich beste Methode um zum perfekten Profil zu kommen. Schreibe eine Mail an Philip, Björn, Dirk, Peter oder Ernst und frag dann ganz freundlich, ob sie nicht mal gschwind einen Profilstrak für Dich entwickeln können… Aber dann denk ich, die Profil-Meister haben sicherlich was Besseres und Spannenderes zu tun, als für Deinen Hangsegler ein Profil zu entwickeln.


    Mmh und jetzt?

    Da erinnerte ich mich an ein Programm mit dem man sich „Profile“ anscheinend selbst erzeugen kann: Xoptfoil. Könnte das vielleicht die Lösung sein?

    Ich lod mir das Programm auf meinen Rechner und nach ein bisschen Herumbasteln konnte ich es dann auch zum ersten Mal starten - und war dann hin- und weg…

    Die Fortsetzung folgt in Kürze im nächsten Teil.
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  2. #2
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    Standard Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil - Fortsetzung

    Teil 3: Profilentwicklung mit Xoptfoil


    In diesem Teil sollen zunächst ein wenig die Grundlagen von Xoptfoil beschrieben werden bevor es anschließend an die konkrete Umsetzung des Profilstraks geht.

    Xoptfoil ist ein Programm, mit dem man auf Basis eines Ausgangsprofils ein neues, optimiertes Profil mit veränderten, gewünschten Eigenschaften erstellen kann. Ein erste Idee, wie so etwas aussehen könnte, bekommt man durch diesen kurzen Filmausschnitt: https://www.youtube.com/watch?v=ZSY_LTt0fBIhttp://

    Xoptfoil wurde vor einigen Jahren von Dan Prosser entwickelt. Dan ist ein Vertreter dieser besonderen Spezies, die exzellentes Aerodynamik-Wissen, Numerik und Softwareentwicklung zusammenbringen um dann für uns Modellbauer immer wieder die unglaublichsten Programme zu bereit zu stellen. Xoptfoil ist frei verfügbar, Open Source und kann von Sourceforge unter https://sourceforge.net/projects/xoptfoil/ heruntergeladen werden.

    Auf RC Groups gibt es zu Xoptfoil einen Thread, in dem Dan viel über die Hintergründe von Xoptfoil schreibt. Zum Stöbern und Vertiefen ist es daher bestens geeignet: RC-Groups Beitrag

    Bevor ich nun ein wenig beschreibe, wie denn Xoptfoil es fertig bringt, einfach so ein Wunschprofil zu entwickeln, wo ich (ein Mensch!) bei der gleichen Aufgabe deutlich an seine Grenzen kommt, noch ein kleiner Warnhinweis: Bei entsprechender Veranlagung hat Xoptfoil großesSuchtpotential. Ich kenn da Einen, der Stunden, ach was Tage, regungslos auf den Bildschirm starrt und gebannt auf die nächste Ausgabe des Programmes wartet…

    Ja, wie geht nun Xoptfoil ans Werk um das optimale Profil zu finden?

    Dan implementierte in Xoptfoil mehrere unterschiedliche Rechenverfahren für die Optimierung eines Profils. Das spannendste, vielleicht auch beste Verfahren nennt sich „Partikelschwarmoptimierung“ (en: Particle Swarm Optimization). Vielleicht hat der ein oder andere schon von der „Schwarmtheorie“ gehört? Im Kern wird bei der Schwarmtheorie mit sehr einfach Regeln beschrieben, wie sich die einzelnen Mitglieder eines Schwarms verhalten um in der Gesamtheit beispielsweise wie ein Fischschwarm zu agieren. Eine einfache Regel könnte beispielsweise heißen: Biegt mein Nachbar nach links ab, tendiere ich auch nach links abzubiegen. Wenn alle Mitglieder im Schwarm nach dieser Regeln „ticken“, biegt unversehens der ganze Schwarm nach links ab.

    Das Schwarmverhalten kann auch dazu dienen, einen „besten Ort“ zu finden – und damit sind wir dann auch schon bei der Partikelschwarmoptimierung von Xoptfoil.

    Der Xoptfoil-Schwarm besteht typischweise aus 50 einzelnen Partikeln. Diese Partikel machen sich nun ans Werk, wenn es gilt unser Ausgangsprofil (en: Seed Airfoil) zu optimieren. Dazu hat jedes Partikel einen kleinen Hammer (man verzeihe mir die bildliche Darstellung) – und mit diesem Hammer hauen sie dann ziemlich wild und erstmal willkürlich stark und an beliebiger Stelle auf das arme Ausgangsprofil ein, so dass unser Profil zunehmend ausgebeult wird.

    Name:  Xoptfoil Beulen.png
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    Jedesmal, wenn einer der Partikel unserem Profil wieder ein Beule verpasst hat, ruft Xoptfoil ein anderes Programm (Xfoil, der Klassiker der Profilberechnung) intern auf, um herauszufinden, wie die Eigenschaften des Profils mit dieser Beule nun sind. Es wäre wie der berühmte Sechser im Lotto, wenn durch eine solche Beule zufällig das neue Superprofil entstanden wäre. Aber nun kommt der Schwarm ins Spiel.

    Die Partikel, die durch ihre Beule, eine vielleicht Mini-Verbesserung der Eigenschaften erreicht haben, rufen ihren Nachbar-Partikeln zu „Karl, Frida und Willi! Kommt zu mir rüber – hier scheint es mit den Beulen gut zu sein“. Und das machen die dann auch, und hämmern in der nächste Runde in der Umgebung des Erfolgspartikels mit.
    Und so entsteht aus einer ersten Beule dann langsam eine elegante Wölbung des Profils hier, eine Verringerung der Dicke dort stetig auf dem Weg, die Eigenschaften zu verbessern.

    Dieses Vorgehen mit den Beulen ist für einen Menschen denkbar ungeeignet. Es funktioniert nur effizient, wenn viele auf einmal beulen und vor allen Dingen häufig, immer sachter und vorsichtiger! Tausende Mal, hunderttausende Mal. Da kommt sogar der heimische PC ins Schwitzen und kann auch mal stundenlang unter voller Last schwitzen …

    Einen wichtigen Punkt habe ich bisher übergangen: Woher weiß Xoptfoil bzw. die Partikel, ob sich die Eigenschaften meines Profils in meinem Sinn verbessert haben? Die Partikel selbst haben von Aerodynamik nicht die geringste „Ahnung“. Sie hämmern nur und bekommen wie bei einem Suchspiel lediglich ein „Heiß, Kalt, Lauwarm“ als Ergebnis ihres Tuns… das heißt aber Xoptfoil muss es beurteilen.

    Hier kommt nun die sogenannte Zielfunktion (en: Objective Function) ins Spiel. Der Wert dieser Funktion beschreibt, wie ich mich im Vergleich zum Ausgangsprofil verbessert habe. Sie beginnt immer bei „1“ (= Ausgangsprofil) und geht dann mit erfolgreichen Hämmern und Beulen langsam nach unten.

    Damit Xoptfoil die Zielfunktion ermitteln kann, muss Xoptfoil mitgeteilt werden, an welchen Punkten meiner Profilpolare, ich welche Art von Verbesserung haben möchte. Beispielweise möchte ich „Bei Anstellwinkel alpha = 5 Grad soll das „Minimale Sinken“ verbessert werden“ oder „Bei einem Auftriebsbeiwert Ca = 0,2 soll der Widerstand(sbeiwert) minimiert werden“. Diese Punkte der Verbesserung werden Arbeitspunkte (Operating Points) genannt. Auf Basis dieser Arbeitspunkte und der von mir dort definierten Optimierungsvorgabe kann nun Xoptfoil sehr einfach nach jeder Optimierungsrunde (en: Iteration) alle relativen Verbesserungen oder Verschlechterungen aller Arbeitspunkte zusammenzählen.

    Beispiel: Neuer Widerstandswert – alter Widerstands = Verbesserung (oder Verschlechterung)
    Das Ganze noch ein wenig normiert und schon haben wir unsere Zielfunktion. Hat sich die Zielfunktion verringert haben wir einen Fortschritt erzielt und bauen die nächste Iteration auf diesen Beulungsfortschritt auf…

    Das ist schon genial raffiniert und genial einfach. Wie geschaffen für unsere doch einfach gestrickten Computer.

    Die von Xoptfoil erzielten Ergebnisse sind für mich immer wieder frappierend. Dabei richtig eingestellt, von einer Präzision, die ein Mensch nicht erreichen kann. Meiner Ansicht bekommt man mit Xoptfoil einen aufregenden Blick in die Zukunft, wo man vielleicht in ein paar Jahren, sein Wunschprofil „auf Knopfdruck erzeugt“. Cool!

    So ganz ohne Tücken ist die heutige Realität von Xoptfoil allerdings nicht. Dabei ist es eigentlich eher der Partikelschwarm, der Schwierigkeiten bereitet und gebändigt werden will. Die kleinen Dinger suchen und finden die unglaublichsten Optima auf Basis der von Mensch definierten Arbeitspunkte und Zielvorgaben. Wo Mensch beispielsweise formuliert „Bei dem Profil hätte ich gern ein wenig mehr Maximalauftrieb“ und damit eigentlich meint, die Eigenschaften meines Profils möchte ich beibehalten – nur eben mit ein bisschen mehr Maximalauftrieb – kennen die Partikel nichts: Sie hämmern auf dem Profil so lange rum, bis dadurch ein unförmig sonderbares Ding entsteht…

    Hier wurde das Ausgangsprofil auf einen Arbeitspunkt und mit nur einen Aspekt „optimiert“: Bei einem Anstellwinkel von 2 Grad und einer Re-Zahl von 150.000 für minimales Sinken zu sorgen. Man beachte auch die elegante „Landekufe“ an der Unterseite (auf so etwas muss „Mensch“ erstmal kommen… )

    Name:  Xoptfoil Extrem.png
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    Die Kunst bei der Optimierung liegt darin, die Arbeitspunkte richtig zu wählen und sie gegeneinander zu gewichten. Sich vorher zu überlegen, welche Eigenschaften des Profils sollen verbessert werden, welche sollten beibehalten werden und welche Eigenschaften dürfen sich verschlechtern. Und dieses dann auch Xoptfoil mitzuteilen! Dabei gilt immer die alte Optimierer-Regel: Keine Verbesserung an einer Stelle ohne eine Verschlechterung an einer anderer Stelle. Oder: Umsonst bekommt man nichts!

    Neben den Arbeitspunkten sind Randbedingungen („constraints“) ein wichtiges Hilfsmittel um auf die Optimierung bzw. auf das Ergebnis Einfluss zu nehmen. Mit einer Randbedingung lässt sich beispielweise die maximale Dicke, die minimale Wölbung oder die maximale Anzahl der Krümmungsumkehrungen eines Profils begrenzen. Bei der Optimierung wird dann nach einem Durchgang geprüft, ob das „ausgebeulte“ Profil eine dieser Randbedingungen verletzt, wenn ja, bekommt die erreichte Zielfunktion einen hohen Strafwert aufgebrummt, sodass diese Variante aussichtslos nach hinten fällt.

    Es gibt noch eine große Anzahl von Einstellungsparameter mit denen man die Optimierungen weiter beeinflussen kann. Hier möchte ich aber auf den gut geschriebenen Benutzerleitfaden („Users Guide“) von Xoptfoil verweisen.

    Ein weiteres spannendes Feature von xoptfoil ist die Möglichkeit, Wölbklappen in die Optimierung mit einzubeziehen. Sehr einfach ist es beispielsweise möglich, für ein bestehendes Profil die optimale Klappenpositionen für den jeweiligen Arbeitspunkt zu ermitteln. Später wird eine solche Klappenoptimierung noch gezeigt.

    So – nun aber genug der Theorie. Jetzt geht es an die eigentliche Aufgabenstellung: Die Entwicklung des ultimativen Hammer-Profils für meinen Hangflugsegler…

    Der letzte Teil folgt in Kürze
    Geändert von Eckart Müller (11.07.2019 um 11:53 Uhr) Grund: Auf Wunsch des Verfassers editiert.
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  3. #3
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    Ich lese gespannt mit...

    ...und bin neugierig, wie's weiter geht.

    Stefan
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  4. #4
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    Hallo,

    gut und locker geschrieben. Lese auch sehr gerne mit.

    Hans
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  5. #5
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    Na suppa! Jetzt bin ich 2 Monate an Xfoil gesessen um meine Fläche und Profile händisch zu optimieren und habe gerade damit abgeschlossen
    und nun kommst du daher, machst mir den Mund wässrig und ich sehe mich schon wieder 2 weitere Monate vor dem Rechner sitzen! Danke! Danke! Danke!
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  6. #6
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    Standard Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil - Fortsetzung

    (danke für Eure Rückkopplung! - und 2 weitere Monate am Rechner kann doch einen Kampfkoloss nicht umhauen)

    Teil 4: Die Optimierung

    Nachdem wir uns das notwendige Rüstzeug von Software und Theorie angeeignet haben, können wir nun an die Arbeit gehen um endlich das Profil für den neuen Hangsegler zu entwickeln.

    Wir haben gelernt, wie wichtig es ist, sich vor der Optimierung Gedanken zu machen, welche Eigenschaften des Ausgangsprofils in welche Richtung verändert werden sollen. Ein kleines Lastenheft mit den Zielvorgaben für das neue Profil hilft dabei (siehe auch Teil 1):

    • Re-Zahl-Auslegungsbereich: Wurzel Re√ca = 130.000, Flächenspitze Re√ca = 50.000
    • Minimierter Widerstand im Bereich ca = 0,1 – 0,5 ohne Klappeneinsatz
    • Homogene, unkritische Polare im Bereich ca = 0,5-1,0 (mit Klappen)

    Hinzu kommen noch bauliche Anforderungen auf Grund der geplanten Holzbauweise:

    • Profildicke an der Wurzel mindestens 7,5%
    • Keine nach innen gewölbte Profilunterseite wegen eventueller Bespannung

    Wichtig und hilfreich für eine zügige Optimierung ist es, ein Ausgangsprofil zu finden, das die geforderten Eigenschaften schon möglichst gut erfüllt. Es wäre beispielsweise nicht einfach, aus einem Clark Y mal gschwind ein Rennprofil zu machen (welche Arbeitspunkte soll ich beim Clark Y wählen, wie sollte ich diese gewichten?).

    Beim Durchstöbern meiner Profilsammlung stieß ich auf das Profil HD45. Hannes Delago hatte dieses Profil bereits Mitte der 90er Jahre als schnelles Profil für F5B oder Hangflug entworfen. Schon rein optisch sieht das HD45 mit einer Profildicke von 7,5% und einer Wölbung von nur 1,4% schon richtig schnell aus und ist auch wie gefordert auf der Unterseite nicht nach innen gewölbt:

    Name:  HD45.png
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    … interessanter als die Optik sind allerdings die aerodynamischen Eigenschaften des HD45. Dazu schauen wir uns das HD45 im Vergleich zum MH30mod des MHSD-Profilstraks und zusätzlich dem originalen MH30 für den geplanten Einsatz bei Re√ca = 130.000 einmal an …

    Name:  Polare HD45 MH30 MH30mod.png
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    … das sieht doch schon ganz gut aus. Im unteren ca-Bereich ist das HD45 ein richtiger Abräumer – dafür wird es über ca = 0,5 dann vom MH30 überholt.
    Als kleinen Gegencheck erhöhen wir nun die RE-Zahl deutlich… Dann zeigt wiederum das MH30 wofür es ausgelegt wurde: Highspeed-Flug - und hängt das HD45 mehr und mehr ab...

    Name:  Polare HD45 MH30 MH30mod RE230.png
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    Ein erstes Zwischenergebnis: Das HD45 ist für den angestrebten Auslegungsbereich schon eine sehr gute Wahl. Eigentlich bräuchten wir gar nicht mehr weitermachen … oder geht da vielleicht noch etwas, wenn wir für unseren Re√ca -Wert von 130.000 optimieren?

    Xoptfoil übernehmen Sie!

    Zunächst werden auf der Typ 2 Polare des Ausgangsprofils HD45 die Arbeitspunkte festgelegt, für die Eigenschaften (beispielsweise der Widerstandsbeiwert) optimiert bzw. kontrolliert werden sollen.

    Insgesamt wurden es dann 10 Arbeitspunkte, mit dem Schwerpunkt (= auch Gewichtung) der Arbeitspunkte in dem zu optimierenden Bereich von ca = 0,1 – 0,5. Die Arbeitspunkte außerhalb dieses Bereichs dienen vor allem dazu, die Partikel nicht auf dumme Gedanken kommen zu lassen und die anderen ca-Bereiche zu sehr zu vernachlässigen. Der Arbeitspunkt bei ca= -0,1 ist ein kleiner Trick um die Optimierung weiter in Richtung „Geschwindigkeit“ zu bringen – aber auch sicherzustellen, dass die Profilunterseite genügend Zuwendung durch die Partikel bekommt um zum Beispiel die laminare Laufstrecke möglichst weit nach hinten zu bekommen …

    Nach Starten von Xoptfoil, bevor die Optimierung beginnt, sieht das dann so aus:
    (die Punkte sind die festgelegten Arbeitspunkte)

    Name:  Xoptfoil Seed.png
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    Nun läuft die Optimierung an und nach 500 Iterationen, ca. 200.000 XFoil-Berechnungen und dem 57sten verbesserten Profil beendet Xoptfoil, da es keine Verbesserung der Zielfunktion mehr erreicht:

    Name:  Xoptfoil Seed+Design.png
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    Im ca/cw – Polardiagramm rechts oben kann man erkennen, dass im Bereich ca = 0,1-0,5 der Widerstandsbeiwert einen Hauch niedriger geworden ist. Die Verbesserung über ca = 0,7 ist eine ungewollte, aber willkommene Verbesserung.

    Beim Profil selbst muss man schon genau hinschauen, um die Veränderungen festzustellen:

    Name:  Xoptfoil Final Design.png
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    Ein bisschen mehr Wölbung, leicht geänderte Dicken- und Wölbungsrücklage, der Nasenbereich ein wenig fülliger… mehr nicht. Das Ausgangsprofil HD45 war anscheinend schon verdammt nahe am Optimum für den Einsatz bei Re√ca = 130.000!

    Nun soll noch ein einfacher Strak mit den Zwischenprofilen bei Re√ca = 100.000 und Re√ca = 50.000 (Flächenspitze) entwickelt werden. Dazu wird als Ausgangsprofil für das nächste Strakprofil das Ergebnisprofil der vorherigen Optimierung genommen, die Re-Zahl der Arbeitspunkte an den neuen Wert von Re√ca angepasst und schon kann der Rechner wieder loslegen.

    In der Regel muss dann noch die Gewichtung der einzelnen Arbeitspunkte ein paar Mal an die neue Optimierungsaufgabe angepasst werden, dann steht das neue Strakprofil.

    Das Ergebnis entspricht den „Erwartungen“ an einen Strak. Die Profildicke nimmt entlang des Straks ab, Dicken- und Wölbungsrücklage wandern nach vorne. Das sieht schon mal ganz plausibel aus...

    Klicken Sie auf die Grafik für eine größere Ansicht 

Name:	JX HD Strak.png 
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Größe:	12,8 KB 
ID:	2156036

    Spannend wird jetzt natürlich eine nähere Betrachtung der aerodynamischen Eigenschaften der neuen Profile entlang des Straks.
    Sind sie wirklich besser als ein durchgehend eigesetztes HD45-Profil?

    Beim Blick auf die Polare sieht man schnell , dass die Optimierung des HD45 mit weiter abnehmenden Re√ca-Wert wirkungsvoller wird:

    Name:  Polare cl-cd JX HD Strak.png
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    Und schließlich noch die Gleitzahl-Polare, die eigentlich aussehen, wie hingezirkelt.
    Kleine Verbesserungen der Gleitzahlen bis ca = 0,5, kleine Einbußen im Spitzenwert, weicheres Abnehmen bei höheren ca-Werten.
    Uff!

    Name:  Polare clcd-cl JX HD Strak.png
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    Bleibt nun noch die finale Frage zu klären, wieviel denn nun der optimierte, neue Strak „eingebaut“ in die Tragflächen bringt? Dazu wurden einfach in der orginären MHSD-Fläche die Profile virtuell eingesetzt.
    Man erkennt schön die Verbesserung der maximalen Gleitzahl als auch die Verschiebung der Polare in Richtung höhere Geschwindigkeit.

    (Obwohl es eigentlich so zu erwarten war, war ich doch selber erstaunt, dass nach so viel Partikel-Treiben am Ende auch wirklich etwas "Besseres" rausgekommen ist)

    Name:  Acro mit JX HD Strak.png
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    Die Verbesserungen bewegen sich insgesamt zwischen 5% bis 10%. Ich denke, über eine Profiloptimierung ist nun nicht mehr viel rauszuholen.
    Jetzt gilt ist die Flächen(geometrie) weiter zu verbessern – aber das ist wohl eine andere „Geschichte“.



    Womit ich dann zum Ende komme ...

    Ich hoffe, mit diesem Bericht nicht zu weit ausgeholt oder am Ende gar gelangweilt zu haben. Mir war es wichtig, ein wenig über die Hintergründe bzw. Grundlagen eines modernen Profiloptimierungsprogramms wie Xoptfoil zu schreiben und vielleicht ein wenig Neugier und Interesse zu wecken.
    Was auf den ersten Blick wie „Magic“ aussieht, ist auf den zweiten Blick eine faszinierende Verbindung von modernen numerischen Optimierungsverfahren (Partikelschwarm) und ausgereiften Methoden und Programmen zur aerodynamischen Berechnung von Profilen (Xfoil).

    Ein Beitrag von Joe Wurts, dem „Urgestein“ in Sachen Entwurf und Fliegen, zu seinen ersten Erfahrungen mit Xoptfoil fasst hierzu auch wunderbar den Charakter des Programms zusammen.


    Wer sich selbst einmal als „Profilentwickler“ ausprobieren und sein erstes „eigenes“ (whow!) Profil entstehen sehen möchte, der sollte eine Portion Geduld und Ausdauer mitbringen. Bei mir waren es rund 2 Monate. Die meiste Zeit sitzt man zwar vor dem Rechner und schaut dem munteren Zeitlupen-Geschehen auf dem Bildschirm zu – aber es braucht auch ein gewisse Übung um ein Gefühl für das oft überraschende Treiben dieser kleinen Partikel zu bekommen, sie immer mal wieder zu bändigen und in die hoffentlich richtige Optimierungsrichtung zu schicken. Das Schöne dabei ist, dass man ohne es zu merken, sehr viel lernt über Profile und wie Profilkontur und aerodynamische Eigenschaften miteinander verknüpft sind.

    Ach ja - „One last Thing“ sozusagen als Optimierungsbonus: Eingangs hatte ich erwähnt, dass man mit Xoptfoil auch Wölbklappen bzw. den Wölbklappenausschlag otimieren kann. Das soll nun noch final mit unserem optimierten Wurzelprofil gemacht werden.

    Dazu wird in den Xoptfoil Eingabeparametern die Größe der Wölbklappe festgelegt, definiert an welchen Arbeitspunkten die Wölbklappenstellung optimiert werden soll, für zum Beispiel maximale Gleitzahl oder minimales Sinken - und los geht‘s – diesmal ohne dabei die Profilkontur zu verändern ...

    Name:  Klappenoptimierung.png
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    (die von Xoptfoil ermittelten Grad-Angaben habe ich in dem Diagramm von Hand eingefügt)

    Man sieht schön, dass das Optimierungsziel im Bereich ca = 0,1-0,5 ohne Klappen zu fliegen fast voll erreicht wurde und wie sich im oberen ca-Bereich die Leistung mit dem Einsatz von Klappen deutlich verbessern lässt. Jetzt müsste nur noch die Fernsteuerung oder besser eine Fernregelung so programmiert werden können.
    Kleine Frage: Müssten mit der Möglichkeit der Klappenoptimierung nicht auch die optimalen Querruderausschläge für Thermik-, Gleit- und Speedflug bestimmt werden können? …!... 😉

    So weit von den Partikeln, Schwärmen und Hicks-Henne ()

    Jochen

    (der optimierte Profilstrak wird gleich noch nachgereicht... )
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    Standard Entwicklung eines Profilstraks mit Xoptfoil - Anhang Profile

    ... im Anhang nun noch die erzeugten Profile - unbearbeitet - direkt aus Xoptfoil.

    JX HD 13.dat Wurzelprofil für Re√ca 120.000-140.000
    JX HD 10.dat Zwischenprofil für Re√ca 90.000-110.000
    JX HD 05.dat Außenprofil für Re√ca 40.000-60.000

    Ich würd's spannend finden, wenn vielleicht der Ein oder Andere Rückkopplung zu diesem Profilstrak geben könnte!

    Viele Grüße

    Jochen
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  8. #8
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    Zitat Zitat von Jojo26 Beitrag anzeigen
    Die Verbesserungen bewegen sich insgesamt zwischen 5% bis 10%.
    Das ist beachtlich.

    Zitat Zitat von Jojo26 Beitrag anzeigen
    ... Ich hoffe, mit diesem Bericht nicht zu weit ausgeholt oder am Ende gar gelangweilt zu haben. ...
    Im Gegenteil Jochen. Du schreibst unterhaltsam, dabei gut verständlich. Das Thema ist spannend, und noch spannender von Dir präsentiert. Kompliment.

    Stefan
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  9. #9
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    Hallo Jochen,

    ganz kurzes Feedback von mir:

    1. sehr schön geschriebener Artikel den man gut lesen kann

    2. HD45 wurde verbessert und ein brauchbarer Strak ist entstanden.Insgesammt ein deutlicher Schritt für dein Modell. Allerdings bist du damit noch immer ein Stück weg von dem was geht. Meine eigenen Profile haben ja alle eine leicht konkave Unterseite aber nimmt man z.B. ein NM12 und beseitigt dort die "Höhlung" ganz simpel in Xfoil, dann bekommst ein Profil was nochmal deutlich besser im CA Bereich 0.1-0.3 ist, bei 0.4 recht ähnlich....und zudem noch im Hochauftrieb besser ist. Da hätte ich eigentlich eine deutlich größere Übereinstimmung erwartet. Es kann natürlich sein, dass dies mit den Evolutionsrandbedingungen zusammen hängt die ein "nicht Klappen" Profil hervor bringt. Im Prinzip das was in Punkt 3 jetzt folgt.

    3. Was mir bei der Betrachtung ein wenig fehlt ist, dass Du eigentlich für die entsprechenden Auftriebsbereiche per "Flap" optimierte Profile vergleichen müsstest, denn du hast ja schließlich einen Flügel der dies kann...anders als z.B. ein Großsegler ohne Wölbklappen. Dann wird der Unterschied zu einem in der Dicke verlgeichbaren MH30mod-PK nämlich schon kleiner, auch wenn es zwischen 0.1-0.4 schlechter bleibt. Es gibt Profile, die können einen breiten Bereich ohne Klappen abdecken, oder aber welche, die erfordern 2-3-4 Klappenstellungen je nach Auftriebsbereich, sind dann aber teils nochmal deutlich besser. Fliegt man dann entsprechend gibts auch das Ergebnis. Das macht "schnelle" Vergleiche immer etwas schwierig.

    4. Hast Du wirklich den MHSD so wie er ist auf dein Modell gebaut? Er ist ja für deutlich höhere Re-Zahlen und glaube auch dem Einsatz "ohne Wölbklappen" gemacht was man natürlich auch in der Art der Modifikationen am MH30 sieht. Wie du gezeigt hast, ist hier dann natürlich durch die Wahl einer passenden Profilierung(natürlich ein Strak), deutlich Leistungszuwachs zu erzielen.

    Viele Grüße
    Björn
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  10. #10
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    Hallo Björn,

    ... vielen Dank für Deine Rückkopplung aus berufenem Munde. Das freut mich natürlich sehr!

    Bei dem dem Artikel ging es mir neben der Faszination für "Xoptfoil" vor allem darum, anhand meines Projekts einen Weg aufzuzeigen, wie ein "Hobbyist" zu seinem Profilstrak kommen kann, dabei den Blick zu schärfen, was man dazu grundlegend beachten sollte (zu viel mehr reicht auch mein Wissen nicht ...). Der Vergleich des neu entwickelten Straks mit dem originalen MHSD-Strak ist wie Du schreibst "unfair", da ich zudem für die Neuauslegung den Re-Zahlbereich noch weiter absenkt habe auf 130.000. Ich wollte damit nicht den neuen Strak besonders herausstellen oder gar den MHSD-Strak kritisieren, sondern zeigen, wie groß der Unterschied zwischen angepasst und nicht angepasst sein kann.

    Bestimmt ging es in der Vergangenheit nicht nur mir so, hier auf RCN von einem tollen Strak zu lesen, den Profis wie Du entwickelt haben, dann diesen auf das eigene Projekt übertragen - um sich dann am Ende am Kopf zu kratzen und sich fragen, warum der neue Flieger nicht so geht, wie er soll...

    (bei meinem MHSD-Flügel bin ich bereits wegen anfänglicher Bedenken auf 80% Wurzel-zu Mittenprofil des Straks gegangen. Das ist dann aber immer noch zu weit außerhalb des Auslegungsbereichs...)

    Deine Anmerkungen zu HD45 und dem daraus erzeugten Strak sind klasse. Ja, ich bin bei der "Optimierung" von dem Einsatz von Wölbklappen ausgegangen und habe daher den Bereich über ca=0,5 keine zu große Aufmerksamkeit geschenkt. Außer zu versuchen, im oberen Bereich eher ausgewogene Polare zu haben. Was darüberhinaus ein gutes Klappenprofil ausmacht, dazu fehlt mir die Erfahrung. Vielleicht kannst Du dazu noch ein paar Hinweise geben?

    Das NM12 nehme ich gern noch unter die Lupe, "begradige" es und lass dann die Partikel darauf los. Eigentlich (!) müsste das Ergebnis sehr ähnlich dem jetzigen werden ... ich bin gespannt.
    Und vielleicht kannst Du dann dem Ergebnisprofil noch ein optimiertes Profil von Dir gegenüberstellen um eine bessere Einschätzung zu bekommen, wie weit (oder nicht weit) "künstliche" Profile heute bereits gekommen sind?

    Viele Grüße

    Jochen
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  11. #11
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    Hi Jochen,
    sehr interessant das ganze, ich versteh zwar nicht alles, z.B. Typ 2 Polaren.
    Aber die hab ich hier schon oft gesehen, mein Profili zeigt die aber nicht.
    Was ich gar nicht versteh, ist " Re√ca " . Was heisst das ? Re-Zahl ?

    Grüße, Gerhard.
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  12. #12
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    Hallo zusammen,

    @ Jochen: mach das Mal...bin selbst gespannt was da raus kommt. Das NM12 an sich ist eine gute Basis für ein schnelles Hangflug Modell. Das mit dem "Begradigen" war deshalb, um deine Anforderungen zu erfüllen. Ich kann ggf gerne Mal was von mir rein stellen, aber hab da nicht wirklich was im Köcher das eine ähnliche Zielsetzung hat. Da wird der Vergleich insbesondere zum NM12 dann schon etwas schwieriger. Denke aber, das NM12 ist da schon ein ganz guter Vergleich bzw eine gute Messlatte für dich, wenn ich vom HD45 Grundcharakter ausgehe.

    @Gerhard:
    Bzgl. Reynoldszahl liest du dir am besten was im Internet durch. Vereinfacht ausgedrückt ist das eine Vergleichszahl die in unseren Fall die globale Strömungsgeschwindigkeit und lokale Flächentiefe berücksichtigt. Du kannst z.B. die selbe Re-Zahl beispielsweise durch eine hohe Geschwindigkeit bei einer kleinen Flügeltiefe...oder einer geringen Geschwindigkeit an einer sehr großen Profiltiefe haben.

    Das Re-sqrt.-Ca der Typ 2 Polare wiederum berücksichtigt den stationären Gleitflug in der hinsicht, das mit mehr CA die Re-Zahl kleiner wird(mehr Anstellwinkel = langsamer). Definiert wird die spezifische Re-Zahl hierbei für den Punkt Ca=1. Somit muss man nur eine Polare rechnen, um etwas über die Leistungsfähigkeit im gesamten Spektrum des stationären Flugs sagen zu können. Du musst halt nur die Ca=1 Re-Zahl kennen, welche von der jeweiligen Flügeltiefe und der Flächenbelastung abhängt. Das ist für mich schwer vernünftig zu erklären...hoffe Du verstehst es in etwa 😅

    Gruß Björn
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  13. #13
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    Hallo Jochen,
    erst Mal vielen Dank für deine tollen Beiträge. Als Hobby aerodynamiker ist das ein sehr willkommener Input. Und ich glaube xoptfoil hat echt Potential. Eigentlich wollte ich nur den Klassiker von Hans Rupp Posten, wo das mit den Typ 2 Polaren erklärt wird:
    http://www.rc-network.de/forum/showt...l=1#post589855
    Schöne Grüsse,
    Johannes
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  14. #14
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    Hallo Gerhard,

    ... ich seh schon, Du hast gerade auch noch den gleichen "Knoten im Hirn", den ich damals bezüglich der Typ 2 Polare hatte ...

    Lesetipp der klasse Beitrag von Philip Kolb im Rahmen seines MHSD-Beitrags: Ermittlung des Re√Ca-Wertes

    Viel Erfolg beim "Entknoten"!

    Jochen

    (mit Profili habe ich schon langer nicht mehr gearbeitet. Schau Dir doch mal xflr5 an. Dort sind die Typ 1 und Typ 2 Polare recht präsent)
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  15. #15
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    Bzg. Typ 2 Polare ist vielleicht hilfreich wie das in XFLR5 angegeben werden kann:

    Hier kann man die Flächentiefe und Spannweite und Fluggewicht angeben.
    Daraus errechnet die Eingabe schnell mal Fluggeschwindigkeit und notwendiges cA.
    Daraus ergibt sich dann das Re√Ca-Wert.

    Die Idee dahinter ist ca, dass bei niedrigen Ca die Fluggeschwindigkeit höher und bei hohem niedriger ist.
    Das ist wesentlich realitätsnäher als eine Typ 1 Polare die bei jedem Ca die gleiche Fluggeschwindigkeit annimmt.

    Damit kann man dann Profile über das gesamte Geschwindigkeitsspektrum vergleichen.

    So hab ich's verstanden...
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