Entwicklung eines F3F-Profils

Zur Wahl des "richtigen" Ncrit muss man sich zunächst damit beschäftigen, wie die e^N Methode in xfoil implementiert ist. Dazu würde ich folgendes Paper empfehlen: https://www.iag.uni-stuttgart.de/dateien/pdf/arbeitsgruppe-laminarwindkanal/stab96.pdf sowie diesen Vortrag (Kommentare im pdf beachten): https://www.iag.uni-stuttgart.de/dateien/pdf/arbeitsgruppe-laminarwindkanal/ssym00.pdf
Hier noch Lesematerial, das sich u. a. kritisch mit der "Rolle" von Ncrit auseinandersetzt:

Implementation of a new transition prediction method in XFOIL
"The advantage of this method is its fast calculation and ease of use. Disadvantages are the fact that
it relies on a good choice of the (empirical) Ncrit -factor: the amplification level at which transition to
turbulent boundary layer is assumed to occur. The method is still very popular today."

Aerodynamic Design Optimization of Wind Turbine Airfoils under Aleatory and Epistemic Uncertainty
"....accounting for the uncertainty in setting up the XFOIL’s NCRIT constant:
a parameter that is considered affected by a chain of aleatory and epistemic uncertainty."

Es besteht zumindest theoretisch ein direkter Zusammenhang zwischen Ncrit (empirische Berechnungsformel in Abhängigkeit vom Turbulenzgrad) und der turbulenten kinetische Energie TKE, die auch in der Meteorologie eine (eher seltene) Messgrösse ist...
Turbulenzgrad/TKE- Umrechnung durch die Gleichungen 3.7 und 3.12.

Messdaten sind aber selten als Veröffentlichung wie z. B. hier für die USA (bodennah) zu finden. Und beispielsweise auf Seite 16/17 von "Effect of free stream turbulence on wind turbine performance" finden sich statistische Messdaten im Windmühlenkontext zum Turbulenzgrad.
Schön wäre, wenn wir da für uns relevante Daten (repräsentative Hänge und Höhen über Grund in verschiedenen meterologischen Situationen) hätten!
 
Zuletzt bearbeitet:
Hallo Benjamin!
habt ihr euch bei euren Spekulationen zur Transitionsberechung eigentlich schon mal Gedanken darüber gemacht, in welcher Größenordnung die "Turbulenz der turbulenten Hangströmung" sein müsste, damit sie Einfluss auf die Umschlagslage haben kann?
Sinnvoll wäre wohl auch zuerst von der anderen Richtung anzusetzen: In welcher Grössenordnung bewegt sich die "Turbulenz der turbulenten Hangströmung" und wie "gut" beschreibt XFOIL die Dinge ggf. in diesem Bereich?

Reale relevante Turbulenzgrade überstreichen wohl einige Grössenordnungen...
...von "less than 0.05%" bis in den Bereich von über 20%.
Zu letzterem z. B. "Effect of free stream turbulence on wind turbine performance" - insbesondere auf Seite 35 des PDF's:
"Relationship between turbulence intensity and wind speed with atmospheric stability at 70 m height for all wind speeds and directions at Horns Rev"
Und "Horns Rev" liegt vor der Westküste Dänemarks. An "Hängen" werden wohl kaum geringere Turbulenzgrade vorherrschen. Schon garnicht im Landesinnern und/oder in geringerer Höhe...

Wie sieht es mit der Abbildung und Beschreibung von solch turbulenten Bedingungen in/durch XFOIL aus?

Fliegergrüsse
Tobias
 

Jojo26

User
Zwischenstopp: Turbulenzen und ncrit

Nachdem Tobias und Benjamin zahlreiche Querverweise auf relevante Veröffentlichungen gegeben haben, war nun erstmal Lesen und Studieren angesagt. Für mich besonders spannend ein wenig in aktuellere Forschungsaktivitäten rund um die Optimierung von Windkraftanlagen einzutauchen…

Damit der ein oder andere nicht durch den Stenogramm-Stil der Experten abgehängt wird, möchte ich versuchen, den aktuellen Erkenntnisstand (besser: meinen aktuellen Erkenntnisstand) zusammenzufassen. Auch um vielleicht dann noch weitere Aspekte des Profildesigns gemeinsam zu diskutieren.

Ach ja – an dieser Stelle bereits eine „Gewinnwarnung“ zu dem aktuell vorgestellten Profil JX-GX. Leider wurden nun unschöne Schwächen deutlich, die ich im Augenblick versuche zu korrigieren. In Kürze dazu mehr …



Der Wind und seine Turbulenzen

In der Erdatmosphäre bildet sich in der Wechselwirkung mit der Erdoberfläche eine Grenzschicht aus, die ganz ähnlichen Mechanismen folgt, wie die Mikro-Grenzschicht an der angeströmten Oberfläche eines Körpers. Die atmosphärische Grenzschicht (englisch: atmospheric boundary layer - ABL) hat je nach Ort, Wetterlage und Tageszeit eine Höhe zwischen mehreren hundert Metern und mehreren Kilometern. In dieser Grenzschicht geht es keinesfalls ruhig und gleichmäßig zu. Die Grenzschicht ist durchdrungen von Querströmungen und Verwirbelungen, die ausgelöst werden durch thermische Effekte, Feuchtigkeit oder eine „raue Erdoberfläche“. Häufig wird die atmosphärische Grenzschicht noch weiter unterteilt in Unterschichten, in denen die verschiedenen „Störfaktoren“ unterschiedlichen Einfluss haben. Für uns Hangflieger besonders wichtig ist dabei der unterste, bodennahe Teil der Grenzschicht bis vielleicht 100-200m Höhe. In dieser Schicht dominieren bei Wind (!) die Störungen bzw. Turbulenzen, die ausgelöst werden durch Hindernisse am Boden: Felsen, Büsche, Bäume, Wellen, Kühe, hohes Gras…

Es gibt zahlreiche Studien, die insbesondere auch diesen untersten Teil der Grenzschicht untersucht haben. Eine außerordentliche Bedeutung haben diese Untersuchungen für die Optimierung von Windkraftanlagen bekommen. Dass beispielsweise angestrebt wird, Windräder immer höher aufzubauen, ist in Hinblick auf die turbulente Grenzschicht kein „Zufall“ …

Die Messwerte ergaben, dass der Turbulenzgrad in Bodennähe sehr große Werte von 1%, 5% oder gar 20% annehmen kann (wir erinnern uns: Der Turbulenzgrad ist vereinfacht das Verhältnis der Störungsgeschwindigkeit zur Grundgeschwindigkeit – hier der Wind). In einem guten Windkanal erreicht man Werte unter 0,1% Turbulenzgrad.

Damit nähern wir uns der Schlüsselfrage: Welchen Einfluss hat die sehr turbulente Grenzschicht, der turbulente Wind, den wir durchpfeilen, auf die aerodynamischen Eigenschaften unseres Profils?

Leider habe ich dazu in der Literatur praktisch nichts gefunden. Hinweise gibt es in einer Untersuchung, die im Windkanal von Trondheim gemacht wurde (siehe Link von Tobis). Dabei wurde die Frage untersucht, welche Auswirkungen die Windturbulenz auf die Leistung eines Windrades hat. Das Ergebnis: Die Turbulenz hat Einfluss, die Ursachen liegen unter anderem in der veränderten Grenzschicht (Ablösungen) des Windflügels.

Nach meinem Verständnis ist eine der Hauptschwierigkeiten, dass bei den Turbulenzbetrachtungen nicht nur die Größe der Turbulenz (Turbulenzgrad) eine Rolle spielt, sondern vor allem auch deren Frequenz. Es ist ein großer Unterschied ob das Durchfliegen einer weiträumigen Thermikblase (auch hoher Turbulenzgrad) betrachtet wird – oder das Fliegen in einem turbulenten Wind-Kopfsteinpflaster direkt am Hang.

Hier auch der Bezug auf die Ergebnissen der Flugmessungen: An den Messwerten der Geschwindigkeit (Prandtl-Rohr) lässt sich das Maß der Störungen zumindest abschätzen. Aufgenommen wurde diese Daten bei ca. 6 Bft am Südwest-Hang in Hanstholm / Dänemark. Dieser schöne Hang hat ein mehrere Kilometer langes „Vorlaufgebiet“ über die Dünenlandschaft.

1606909707342.png


Neben der Größe der Störungen (hier ca. 2% Turbulenzgrad) ist vor allem die Frequenz der Störungen interessant. Da die Messwerte nur alle 0,1s aufgezeichnet wurden, können damit Frequenzen bis maximal ca. 5 Hz erfasst werden - und diese sind zumindest noch gut erkennbar. Ich würde abschätzen, dass die Störungen noch ein gutes Stück höher frequent sind können – 20, 50, 100 Hz?

Ok – so weit so gut. Aber haben diese Störungen nun einen Einfluss?

Nachdem wir mit der Betrachtung der atmosphärischen Grenzschicht nur ein kleines Stück weitergekommen sind, nun der Versuch einer Annäherung diesmal „Bottom up“.


Der Einfluss von Störungen auf die Entwicklung der Grenzschicht

Diese Fragestellung ist ein eigenes, spezielles Forschungsfeld in der Aerodynamik. Hierbei wird untersucht, welchen Einfluss äußere Störungen auf die Entwicklung der Grenzschicht haben, wie „empfänglich“ die Grenzschicht auf diese Störungen ist. Im Englischen wird hierfür das Wort „receptivity“ verwendet. Um hier nochmal den Bogen zu den uns inzwischen wohl vertrauten Tollmien-Schlichting-Wellen zu spannen: Wie verändert sich die Anfachung der Tollmien-Schlichting-Wellen durch solche Störungen. Das Problem bei Messungen hierzu ist: Wie lassen sich reproduzierbare Störungen in einem Windkanal erzeugen? Eine häufige Lösung sind Schallwellen, die sich bestens in Stärke und Frequenz verändern lassen. Zu einer dieser Untersuchungen hat Benjamin einen gut zu lesenden Vortrag verlinkt.

Das Ergebnis: Ja, solche Störungen haben (großen) Einfluss auf die Entwicklung der Grenzschicht.

Die Frage bleibt (für mich) offen, ob diese höher frequenten Störungen beispielsweise durch Schallwellen übertragbar sind auf die niederfrequenteren Störungen der turbulenten Luft am Hang…


Was ist nun mit ncrit?

Nachdem sich in der Literatur bisher nur Indikatoren finden ließen, dass ein aus Windkanalversuchen abgeleiteter ncrit-Werte von 9 eher zu hoch für realistische Hang-Profilberechnungen ist, nun noch ein ganz anderer Versuch der Annäherung an die Fragestellung.

Nehmen wir die Erkenntnisse, Erfahrungen, Einschätzungen von uns – sozusagen als Schwarmintelligenz – um zu einer möglichst guten Festlegung zu kommen:

Aus den Beiträgen hier, aus zusätzlichen Austauschen mit anderen Profilentwicklern, bildet sich inzwischen ein „ncrit-Schwerpunkt“ zwischen 6-8 heraus. Insofern könnte ncrit=7 für die Berechnungen ein guter, sicherer Wert sein... ( aber vielleicht muss man mit ncrit noch weiter runter?)

Mit dem Ansetzen von eher niedrigeren ncrit-Werten läuft man weniger Gefahr, ein Profil mit fabelhaften laminaren Lauflängen bis hinter die Hinterkante „schön zu rechnen“. Man ist also tendenziell eher auf der sicheren Seite zwischen errechneter und realer Leistung. Ein wenig aufpassen muss man allerdings bezüglich laminarer Ablöseblasen. Eine mit einem niederen ncrit-Wert angenommene turbulentere Anströmung verzögert die Bildung von Blasen. Man erhält dadurch im mittleren Re-Zahl-Bereich und eher niederen cl-Werten bessere Ergebnisse…

Auch hier noch der Bogen gespannt, zu den Erfahrungen von „Reini“ bezüglich Pfeifen eines Profils.

Wenn Ablöseblasen die Ursache für das Geschwindigkeitspfeifen eines Profils sind, dann müsste eigentlich ein blasenfreudiges Profil im F3B- oder F5B-Einsatz in der milden Abendluft (wenig Turbulenz) deutlich lauter Pfeifen als im harten Einsatz am Hang (viel Turbulenz)? Gibt es dazu Erfahrungen?

--

Ich hoffe mit diesem Versuch einer Zusammenfassung der Wechselwirkung von turbulenter Anströmung und unserem „berüchtigten“ xfoil-Paramter ncrit die Geduld des geneigten Lesers nicht zu sehr strapaziert zu haben ... 😉

In diesem Sinn - viele Grüße

Jochen
 

mipme_kampfkoloss

Vereinsmitglied
Teammitglied
Ich möchte dazu mal kurz eine Idee äußern - aus aktuellen Tests mit turbulatoren:

Ich habe festgestellt, dass durch der Turbulator ich das Model (geringfügig) umtrimmen muß.
Also nehme ich an das cm0 anders ist. Im XFLR5 habe ich mit dem entsprechenden forcierten Umschlag das Profil neu berechnet.
Dadurch ändert sich natürlich auch der stationäre Anstellwinkel des gesamten Flugzeugs.

- Soweit die Erfahrung, nun zur Idee:
Mit entsprechendem ncrit könnte man das Profil an gleicher Position umschlagen lassen.
Aber umgekehrt könnte ich auch mir den Anstellwinkel in der turbulenten Strömung anschauen und dann das ncrit herausfinden, oder?

Vielleicht wäre es am besten man nutzt ein Brettnurflügel mit durchgehendem Profil.
Trimmt ihn in ruhiger Luft und misst den den Anstellwinkel im stationären Gleitflug.
Dann nimmt man den gleichen Flieger unverändert und lässt ihn am turbulenten Hang fliegen und misst den sich einstellenden Anstellwinkel.
Diesen versucht man dann wieder in der Simulation nur durch verändern des ncrit zu erreichen.

Klingt das logisch und machbar? Just my 2 cents...
 

Hans Rupp

Vereinsmitglied
Hallo,

die Idee mit dem Brettnurflügel hat den Charme, dass sie einfahc auszutesten geht und wenn es klappt sensitiv in der Anzeige ist. Damit hat sich das Nebenthema aber soweit entwickelt, dass es nicht mehr zum Beitragsfaden passt und imho besser separat fortgeführtr werden sollte.

Es wird auch hier ein eher "akademisches" Thema bleiben, die Profilentwicklung durch uns Hobbyentwickler ist in ihrem Möglichkeiten eben limitiert. Die professionellen Hersteller arbeiten ja nicht ohne Grund mit Profilentwicklner zusammen, die da einen beruflichen Bezug dazu haben.

Hans
 

UweH

User
Wenn Ablöseblasen die Ursache für das Geschwindigkeitspfeifen eines Profils sind, dann müsste eigentlich ein blasenfreudiges Profil im F3B- oder F5B-Einsatz in der milden Abendluft (wenig Turbulenz) deutlich lauter Pfeifen als im harten Einsatz am Hang (viel Turbulenz)? Gibt es dazu Erfahrungen?

Hallo Jochen,

es gibt eine Flugweise bei der das Modell ständig durch Luft mit sehr verschiedenen Turbulenzgraden fliegt, das ist im DS.

In einem DS Kreis hat man im Lee sehr ruhige Luft mit geringer Turbulenz, im Luv üblichen Hangwind mit viel Turbulenz und zwei mal pro Kreis beim Durchflug der Scherzone sehr hohe Turbulenzgrade der Umgebungsluft.
Üblicherweise steht der Pilot irgendwo an einer dieser unterschiedlichen Turbulenzgradbereiche außerhalb des Kreises und hört mehr oder weniger gut wie sich das Fluggeräusch des Modells im Laufe jeder Runde verändert, die Windgeräusche am Hang übertönen das Rauschen, Pfeifen, Grollen und Knallen des Modells teilweise.

Stellt man sich im Lee in den DS Kreis und verfolgt das Modell beim Kreisen, dann hört man ganz gut wie die Geräusche sich ändern.
Davon habe ich als Beispiel ein Video von Theos MB01 Quickstep letztes Jahr auf den Azoren, gefilmt mit meiner Mützenkamera...bis mir schwindelig wurde :eek:

Im ersten Teil des Videos dürfte der Quickstep um 150 km/h Top-Speed geflogen sein, im zweiten Teil ab 0:21 min bis über 250 km/h.

Zur Orientierung: Wenn das Meer im Hintergrund zu sehen ist fliegt das Modell die untere Wende durchs Lee, nachdem der hellbraune Weg kurz zu sehen ist und wo das Pfeifen zu einem starken Knallen wird ist der Scherzonendurchflug vom Lee ins Luv. Dann ist fast nur Himmel zu sehen, das ist die obere Wende im Luv eines 300 m hohen steilen Hangs. Dann sieht man kurz einen hohen Hügel mit einer sattgrünen Kuhtreppenwiese links davon, das ist der Scherzonendurchflug vom Luv ins Lee bei dem man wegen der größeren Entfernung von der Kamera (und weniger Turbulenz?...weniger Airspeedfifferenz?) nicht so lautes Knallen hört.

Um Erkenntnisse aus dem Video zu holen wird man sich das öfter anschauen müssen, aber das Pfeifen des Profils hört in der sehr turbulenten Scherzone definitiv kurz auf. Selbst wenn das Knallen ein Pfeifen übertönen würde kann man sich fragen woher das Knallgeräusch kommt obwohl sich die Fluggeschwindigkeit zur Umgebungsluft nur um die Windgeschwindigkeit ändert, die im Video maximal 50 km/h gewesen sein dürfte.


Gruß,

Uwe.
 
Zuletzt bearbeitet:

mipme_kampfkoloss

Vereinsmitglied
Teammitglied
Da wird einem ja beim Videoschauen schon schwindelig!

Und, das knallen kommt nicht vom Wind oder deiner Jacke oder ähnliches? Hätte mir nicht gedacht, dass man das so deutlich hört!

Nichtsdestotrotz: die Geräusche im Video beweisen zumindest mal, dass die Turbulenz der Luft eindeutig einen Einfluss auf die Turbulenz der Grenzschicht und damit auf das ncrit hat - oder überinterpretiere ich das jetzt?
 

UweH

User
Und, das knallen kommt nicht vom Wind oder deiner Jacke oder ähnliches?

Definitiv nicht, das Pfeifen und die Knallgeräusche werden vom Modell erzeugt. Man sollte mal selbst erlebt haben wie sich die Geräusche im schnellen DS je nach durchflogener Luft und insbesondere auch bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten ändern.
Besonders interessant ist im Video vielleicht der Flugabschnitt zwischen ~ 24 und 26 Sekunden, beim Durchflug der Scherzone vom Luv zum Lee ist das Pfeifen kurz ganz weg ohne dass es knallt.
 

UweH

User
Max speed bei diesem Flug waren 335km/h :D

Ja schon Theo, war auch Klasse von Dir und dem Quickstep geflogen, aber ich glaube in meinem Video oben sind die 335 wohl nicht zu sehen, sonst hätte ich beim Filmen nicht so viele Runden durchgehalten bevor mich der Drehwurm in die Wade gebissen hat :D
 
Hallo Tobias!

Lineare Stabilitätstheorie und e^N Methode

Sinnvoll wäre wohl auch zuerst von der anderen Richtung anzusetzen: In welcher Grössenordnung bewegt sich die "Turbulenz der turbulenten Hangströmung" und wie "gut" beschreibt XFOIL die Dinge ggf. in diesem Bereich?

Die kurze Antwort ist: gar nicht. Um die ausführliche Antwort zu verstehen, schau Dir bitte die lineare Stabilitätstheorie und damit verbunden die e^N Methode zur Bestimmung der Umschlagslage an. Beachte dabei die Annahmen (stationäre, 2D Grundströmung, kein Aufdicken der Grenzschicht, kleine Störungen) und behalte im Hinterkopf, dass der Strömungsumschlag in einer realen Strömung dreidimensional und instationär stattfindet. Trotzdem kann man die reale, mittlere Umschlagslage sehr gut mit dem Wellen Ansatz in Strömungsrichtung bestimmen. In Grenzen kann man natürlich über das empirisch zu ermittelnde Ncrit die Anströmbedingungen abbilden.

Jetzt schauen wir uns mal an, in welcher Größenordnung Frequenz und Amplitude einer Störung in etwa sein müssen, damit ein Strömungsumschlag von laminar nach turbulent dadurch erfolgt.

Amplitude
Definitionsgemäß wird der Umschlag erreicht bei N = Ncrit = ln(A/A0) , wobei A die Störamplitude (im Bereich des Umschlags) ist und A0 die Anfangsamplitude. Mit Ncrit = 9 ergibt sich jetzt also A/A0 = e^9 ~ 8103 oder für Ncrit = 11 folgt A/A0 = e^11 ~ 59874. Das heißt, dass die Störamplitude im Bereich des Umschlags zwischen 8100 und 59900 mal größer ist als die Anfangsamplitude im vorderen Bereich des Profils. All das findet innerhalb der Grenzschicht statt, die bei uns typischerweise im Bereich weniger 1/10 mm dick ist.

Frequenz
In diesem Beitrag https://www.rc-network.de/threads/einfacher-eigenbau-hangflug-pfeil.311356/page-8#post-4694233 hatte ich schon mal die Saugseite der dort gezeigten Druckverteilung mit einer vollen e^N Methode untersucht. Die Reynoldszahlen sind 0.273*10^6, 2.73*10^6 und 15*10^6. Man sieht, dass mit steigender Reynoldszahl die Frequenz, die zum Strömungsumschlag führt, ansteigt. Der Frequenzbereich liegt zwischen etwa 50Hz im Langsamflug und vielleicht 1000Hz im extremen Schnellflug, z.B. DS.

Turbulenz am Hang und im DS

Die Turbulenz beim Hangflug sorgt in den allermeisten Fällen nicht für einen frühzeitigen Strömungsumschlag über die Tollmien-Schlichtung Instabilität, siehe oben. Durchaus sind Böen oder größere Wirbelstrukturen aber dafür verantwortlich, dass sich Anstellwinkel ggf. lokal und plötzlich ändern, was in der Folge Leistung kostet. Je schneller man fliegt, desto besser wird die Situation: die Störungen werden im Vergleich zur Fluggeschwindigkeit immer kleiner und der Flieger braucht weniger Korrekturen.

Mit den Geräuschen beim DS hat Uwe schon recht: ein tonaler Pfeifton deutet in aller Regel darauf hin, dass laminare Grenzschicht über die Hinterkante streicht. In diesem Fall ist die Druckseite also zu 100% laminar. Fliegt man in die turbulente Schicht im Lee ein, ändert sich die dominante Schallquelle und man hört quasi das Auftreffen der Wirbel an der Tragflügelvorderkante (inflow turbulence noise). Andreas Herrig hat das hier schön erklärt: https://www.rcgroups.com/forums/showpost.php?p=10761136&postcount=59 .

Und Ncrit in Xfoil/Xflr5?

Ich wiederhole mich, aber hier ist es wichtig zu verstehen, wie die e^N Methode in xfoil implementiert ist. Dieses Zitat ist aus der Anleitung:

"Note: The e^n method in XFOIL is actually the simplified envelope version, which is the same as the full e^n method only for flows with constant H(x). If H is not constant, the two methods differ somewhat, but this difference is typically within the uncertainty in choosing Ncrit."

Wie Heiko schon geschrieben hatte, ist für das in xfoil verwendete Hüllkurvenverfahren Ncrit = 7 ... 8 in der Praxis eine ganz gute Wahl. Insbesondere für die Umschlagslagenentwicklung auf der Saugseite ist das echt okay.

Viele Grüße,
Benjamin
 

Heiko1

User
Hallo zusammen,

mit dem was Benjamin schreibt (Turbulenz beeinflusst den Anstellwinkel kurzzeitig, aber eher nicht den Umschlag an sich), lässt die praktische Beobachtung, dass RE-Zahlkritischere Profile in turbulenter Umgebung besser funktionieren auch die folgende Deutung zu: In perfekt unturbulenter Anströmung wäre für den Schnellflug eines bestimmten Fliegers das Cl bei exakt 0,1. Kommt nun die Turbulenz dazu, ändern sich kurzzeitig die Anstellwinkel und damit das Cl. Der Durchschnittswert des Cl sollte weiterhin bei 0,1 liegen, die Varianz des Wertes geht aber vielleicht von 0,0 bis 0,2. Je turbulenter die Luft nun wird, um so größer wird auch die Varianz. Vielleicht liegt sie irgendwann sogar zwischen -0,1 und 0,3. Wenn man nun Profile die eher RE-Zahlkritisch sind mit Profilen die weniger RE-Zahlkritisch sind vergleicht fällt auf, dass im Allgemeinen die RE-Zahlkritischeren Profile bezogen auf das Cl oberhalb und unterhalb des kritischen Bereichs ziemlich gut sind. Als Beispiel hier mal der Vergleich des MH33 (als RE-Zahlkritischer Vertreter) mit dem JX-FXrcn 15 von Jochen (als RE-Zahlunkritischer Vertreter):

Bildschirmfoto von 2020-12-04 08-25-56.png


Je turbulenter die Luft also wird, um so öfter bewegt man sich in einem Bereich, in dem das MH33 gegenüber dem JX FXrcn 15 Vorteile hat.

Viele Grüße,
Heiko
 

reinika

User
Vielen Dank Bejamin, für Deine verständlichen Ausführungen. Das deckt sich ja gut mit den Beobachtungen.

Du hast in Post 118 eine Beispielrechnung als Anhang eingestellt. Da ist oben mit ncrit 6.5 gerechnet, unten mit ncrit 14. Kannst Du bitte mal anschaulich erklären wozu dieser Unterschied gebraucht wird? Oder interpretiere ich das falsch und es ist einfach ein vergleich mit den beiden Werten?

Vielen Dank
Reini
 
Zuletzt bearbeitet:

UweH

User
Je turbulenter die Luft also wird, um so öfter bewegt man sich in einem Bereich, in dem das MH33 gegenüber dem JX FXrcn 15 Vorteile hat.

Jo Heiko,
liegt der Auslegungspunkt des Fliegers in einem Bereich in dem mit großen Turbulenzen zu rechnen ist, z.B. beim DS oder beim F3F bei sehr viel Wind, dann legt man den Bereich des cwmin der Profile etwas breiter an, selbst wenn es etwas Minimalwiderstand kostet, so ähnlich wie es in Deiner Beispielpolare zu sehen ist.
Besonders beim DS wird das Prinzip überdeutlich: sehr hohe Re-Zahlen engen die Polare prinzipiell ein. Um dem entgegen zu wirken und um in den turbulenten Flugabschnitten nicht zu viel Energie zu verlieren weil die örtlichen Profile andere Anstellwinkel sehen als den des Auslegungspunkts verwendet man typischerweise relativ dicke Profile.

In weniger ausgeprägter Form kann man das auf die F3F-Auslegung übertragen.

Hier mal noch ein DS-Video mit Zeitlupenphasen die ich eingebaut habe um die Verformung des Flügels zu sehen und zu zeigen. Leider kommt es im hochgeladenen Video nicht so gut rüber wie wenn man das Rohvideo im Bearbeitungsprogramm ganz langsam Bild für Bild anschaut.
Aufgrund der hohen positiven G-Lasten im DS-Kreis rechnet man eigentlich damit dass sich die Fläche relativ gleichmäßig durchbiegt. Schaut man sich den Scherzonendurchflug des relativ weichen Standard-Erwin aber im Detail an, dann erkennt man ungleichmäßige, wellenförmige Biegeverformungen über die Spannweite, z.B. zwischen 0:35 und 0:38 min.
Es gibt also nicht einen konstanten Anstellwinkel des Flügels über die Spannweite, sondern die Turbulenzen erzeugen gleichzeitig verschiedene Anstellwinkel der örtlichen Flügelabschnitte, deren unterschiedliche Kraftrichtungen man an den ungleichmäßigen Verformungen des Flügels ablesen kann.
Im F3F ist das an turbulenten Hängen prinzipiell nicht anders und neben einem steifen Flügel sollte auch die Profilierung mit den ebenfalls von Benjamin beschriebenen, lokal und plötzlich ändernden Anstellwinkeln zurecht kommen ohne dass es zu viel Leistung kostet weil man ständig oben und unten aus dem cwmin -Bereich der Polare fällt .

Gruß,

Uwe.

 

G.B.

User
Hi Uwe,
..mit Deinen Beobachtungen deckt sich auch der Umstand, dass manche ältere Konstruktionen noch immer Top-Geräte fürs DS sind....z.B. ...SRTL mit RG15...
Auch hab ich die Erfahrung gemacht, dass ein aktueller Flieger mit einer Profilauslegung auf schmalen Minimalwiderstandsbereich...an einem eher turbulenten Spot mit (max.) 1mm Klappenausschlag nach unten deutlich besser geht....im XFOIL kannn man den Effekt auch ganz gut sehen 😉
 

Jojo26

User
Profil-Trilogie: JX-GS

In diesem Beitrag möchte ich das dritte und wohl finale Mitglied der kleinen Profilreihe für F3F vorstellen. Da bereits ausführlich über die unterschiedlichsten Aspekte der Profilentwicklung in den Beiträgen zu JX-FX und JX-GX geschrieben wurde, möchte ich mich hier auf die wesentlichen, neuen Punkte beschränken…


JX-GS-15.png



Auslegung des Basisprofils JX-GS-15


  • (Sehr) schnelles Klappen-Profil speziell für Hangflug – F3F
  • Optimiert für ca = 0.05 – 0.4
  • Basisprofil: Re = 500.000 – 700.00, Re √ca = 150.000
  • Berücksichtigung der turbulenten Strömungsverhältnisse am Hang durch ncrit = 7 (siehe Beitrag zu JX-GX) und möglichst robuster Polare bei turbulenten Anstellwinkeländerungen ca = +- 0.1


JX-GS im Vergleich

Eigentlich war ich davon ausgegangen, dass sich das frisch entwickelte JX-GX recht nahe entlang eines möglichen Optimums bewegt. Aber ein Hinweis, dass die laminaren Lauflängen an der Profilunterseite im niedrigen bzw. negativen ca-Bereich besser sein könnten, führten zu weitergehenden Untersuchungen und Vergleichen mit anderen Profilen wie zum Beispiel dem „Speed-Profil“ MH33.
Stimmt – Verbesserung mussten möglich sein. Aber was war die Ursache, dass Xoptfoil-JX bei der Optimierung keine besseren Lösungen gefunden hat?

Wie in den meisten Fällen saß der Grund dafür wieder einmal „vor dem Bildschirm“. Zwei Fehler während der Profilentwicklung wurden deutlich:
  • In der (irrigen) Annahme „Dünne läuft“ wurde eine Profildicke von 7,6% als Optimierungsziel vorgegeben. Da sich der größte Teil der aerodynamischen Optimierungszielvorgaben im Bereich ca > 0.1 befindet, wurde vor allem die Profiloberseite in ihrer Krümmung optimiert. Durch die Dickenbegrenzung konnte sich dann die Profilunterseite nicht mehr für optimale Lauflängen „auswölben“.
  • Das verführerische „rear loading“ (= nach innen Verwölben der Profilunterseite in Richtung der Profil-Hinterkante), mit dem recht einfach Verbesserungen im mittleren und hohen ca-Bereich erzielt werden könnten, verkürzt durch die hohe Krümmung die laminaren Laufstrecken im niederen bzw. negativen ca-Bereich.
JX-GX_rear_loading.png

Der Verzicht auf „rear loading“ bringt die weiteren Vorteile, dass sich die Steghöhe im Ruderbereich erhöht (= Steifigkeit) und dass die Profilunterseite ab ca. 50% Profiltiefe praktisch gerade ist (für „Positivbauweise“ recht angenehm).

Allerdings musste durch diese Veränderungen letztendlich eine vollständige Neuberechnung durchgeführt werden um die negativen Auswirkungen best möglich zu kompensieren.

Schau man sich das neue JX-GS im Vergleich zu den „Vorgängern“ JX-FX und JX-GX an, gelingt es dem Neuen die positiven Eigenschaften zu kombinieren, ohne der Schwächen mitzunehmen:

JX-GS_FX_Type1.png

Ein wenig „Federn“ musste JX-GS allerdings im Bereich ca > 0,8 lassen. Da die hohen ca-Werte aber meist mit Klappen geflogen werden, sollte sich dies nicht zu negativ auswirken.

Im Vergleich zu JX-FX ist JX-GS spitziger bezüglich des optimalen Re-Zahl-Bereichs ausgelegt. Daher kommt der Anpassung des Profils entlang der Spannweite eine besonders wichtige Rolle zu …


Der JX-GS Strak

Der JX-GX-Profilstrak besteht aus 3 Hauptprofilen, die getrennt berechnet und optimiert wurden.

JX-GS_Strak_2y.png
Die Strakprofile JX-GS in der y-Richtung gespreizt dargestellt

ProfilAuegelegt für Re √caGerechnet mit
ncrit=7 und Re
Geprüft bei ncrit = 7 + 9
und Re
JX-GS-15150.000600.000 (+400.000)700.000 + 300.000
JX-GS-10100.000400.000 (+300.000)600.000 + 250.000
JX-GS-0660.000250.000 (+150.000)300.000

Die gegebenenfalls notwendigen Zwischenprofile werden dann durch prozentuales Mischen der Hauptprofile erzeugt.

Die Polaren der Hauptprofile mit „gemischten“ Zwischenprofile bei jeweils optimaler Re-Zahl:

JX-GS_Strak_Polars.png

Aus konstruktiven Gründen kann das Profil an der Wurzel ohne Problem auf 8-8,5% aufgedickt werden. Man sollte dann allerdings recht schnell auf das normale JX-GS herunterstraken. Änderungen an Wölbung, Wölbungs- und Dickenrücklage würde ich nicht empfehlen


Wie bestimme ich das richtige Profil für eine bestimmte Flächentiefe (bzw. Spannweitenposition)?

In dem diesem Beitrag hatte ich eine einfache Näherungsformel für die Ermittlung von Re √ca gezeigt:

Re√cl = 900 * t * √FB (mit t= Flächentiefe in cm, FB = Flächenbelastung in g/dm²)​

Beispiel: Bei einen Auslegungsflächenbelastung von 40g/dm² und einer Flächentiefe von 18,5cm erhält man mit dieser Formel einen Wert von Re √ca = 105.000. Wenn ich tendenziell eher leichter unterwegs bin, kommt das JX-GS-10 zum Einsatz – bei eher schwerer Auslegung das JX-GS-11. Eine Unschärfe von +- 5% oder +-10% ist bei der Wahl des Profils unkritisch. Wichtiger ist der kontinuierliche Verlauf der Profile entlang der Spannweite

Mit dieser „Umrechnung“ können mit JX-GS auch gut kleinere Hangsegler beispielsweise mit 2,4m Spannweite oder auch größere Modelle mit höherer Streckung (kleinerer Flächentiefe) ausgelegt werden.


Klappeneinsatz beim JX-GS

Ein für eine solche Aufgabe optimiertes Profil „lebt“ vom Einsatz der Klappen. Allerdings sollten diese eher defensiv eingesetzt werden. Ein von unten schrittweises Herantasten an die optimale Klappenstellung ist empfehlenswert.

Speedflug: Das Profil ist bereits für (sehr) schnellen Hangflug ausgelegt. Erst bei Durchschnittsgeschwindigkeiten über 40m/s könnten die Klappen ein Hauch (-0,5 Grad) nach oben ausgeschlagen werden.

Schnelles Gleiten: Ab Geschwindigkeiten unter 30-35m/s sollten die Klappen langsam gesetzt werden (+0,5 - +2 Grad)

Sanftes Gleiten: Wenn es nur noch wenig trägt, kann der Ausschlag auf +2 - +4 Grad erhöht werden.

Snap-Flap: Ein guter Startwert sind 3 Grad bei vollem Höhenruderausschlag. Wie bereits in den vorherigen Beiträgen diskutiert, kann ein verzögertes Mitnehmen zum Höhenruderausschlag eine sinnvolle Maßnahme sein.

Im Vergleich zum JX-FX und JX-GX sind die Klappenpolare noch etwas fülliger und runder.

JX-GS_Flapped.png

Bei einer Klappentiefe zwischen 22-25% erhält man ausgewogene Eigenschaften beim Klappeneinsatz.

Die Strakzwischenprofile und alle Klappenprofile wurden automatisiert mit „Xfoil_Worker“ erzeugt. Das kleine Tool hat sich wieder einmal als sehr hilfreich erwiesen, um mit der Profilflut noch einigermaßen umgehen zu können.


Die Dateien im Anhang

Angehängt sind die Profildateien der 3 Hauptprofile des JX-GS-Straks und in einer zip-Datei (umbenannt in .txt) alle Zwischenprofile des Straks mit ihren geklappten Varianten ( von -0,5 bis +4 Grad) – insgesamt 50 Profile…


Zu guter Letzt …

… möchte ich an dieser Stelle nochmal ein herzliches Dankeschön an die kritischen Begleiter und Mitdenker aussprechen, ohne die ich sicher nicht so weit gekommen wäre:

Tobias, für den gemeinsamen, spannenden und lehrreichen Ausflug in den Stand der Forschung rund um Turbulenz und Profile...
Peter, für die Kontrollrechnungen mit Eppler-Code und die Anmerkungen zu den laminaren Laufstrecken...
Heiko, für das kluge und kritische Mitdenken...
Markus, für den Blickwinkel aus der Praxis und den erhobenen Re-Zahl-Zeigefinger...
Matthias, für das mich wieder auf die Spur bringen (dank Strak Machine)...

... und natürlich den Vielen, die zu diesem Thema „Entwicklung eines F3F-Profils“ einen Beitrag geschrieben haben und ihr Wissen geteilt haben.

Es ist einfach eine große Freude mit so vielen g’scheiten Leuten zusammenzuarbeiten!

In diesem Sinn - viele Grüße

Jochen
 

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Björn

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Hallo Jochen,

zuerst einmal Dir und allen die bisher konstruktiv mitgemacht haben: Vielen Dank für diesen super Thread mit einigen Denkanstößen, welche auch übers F3F hinaus gehen.

Ich hab mir gestern Abend mal kurz das GS-06 sowie das GS-10 angeschaut, da diese hinsichtlich Typ2-Re's eher in mein aktuelles Zielgebiet passen.
Was ich bisher zum GS-10 sagen kann ist: Kompliment! Ein wirklich rundes Profil für den avisierten Einsatzzweck....und auch darüber hinaus nutzbar. Ich hätte nicht gedacht, dass man im mittleren Auftriebsbereich ohne Rear Loading bei 100k so weit kommen kann 🙂 .
Du musst mir mal erzählen, wie Du Xoptfoil dazu überredet hast, dieses Mittel nicht zu nutzen. Die Partikelmeute ist nämlich bei mir sehr Rear Loading affin, egal was ich bisher ausprobiert hab.

Auf das GS-6 habe ich nur einen ganz groben Blick bisher geworfen. Hattest es mal z.B. mit einem Zone2-60k verglichen? Insbesondere bei niedrigeren Typ2 Re's. Gerade der Randbogen ist meiner Erfahrung nach ein sehr empfindlicher Bereich was das gesamte Flugverhalten betrifft. Den Einsatz dort außen kann das Zone nämlich auch noch bei niedrigeren Re's gut (s.h. Vantage). Allerdings passt es aber natürlich nicht so ganz zur Philosophie der Unterseite. Ich muss mir das 6er aber nochmal genau ansehen und prüfen, ob der erste Blick hierauf überhaupt richtig war. Dennoch vorab der kurze Hinweis aufs Zone.


Schöne Grüße
Björn
 
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