Aerodynamik von Schlagflügeln im Vorwärtsflug

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jong-Seob Han
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456038422

Fliegende Insekten können sowohl langfristig schweben als auch mit schlagenden Flügeln in hohem Maße manövrieren. Es wurden viele Studien zu Schlagflügeln und deren Flugmechanik durchgeführt, die die Entwicklung biomimetischer Drohnen erheblich verbessern. Dennoch reicht der bisherige Wissensstand nicht aus, um die Schlagflügelsysteme insgesamt zu beschreiben. Dementsprechend ist auch die Entwicklung biomimetischer Drohnen nicht über ein bestimmtes Niveau hinaus gelungen. Ein bemerkenswertes Problem bei den jüngsten Trends in der Schlagflügel-Aerodynamik ist, dass die meisten Studien immer noch stark auf den Schwebeflug fokussieren, obwohl es für die meisten fliegenden Insekten eher selten ist, einen bestimmten Punkt im Raum „stationär“ zu halten (sie fliegen normalerweise mit einem bestimmten Optimum in Bezug auf Energie und Fluggeschwindigkeit). Die Studien zum typischerweise an den Flügeln auftretenden Vorderkantenwirbel haben sich ebenfalls auf den Schwebezustand gestützt, in dem ein Körper an einem festen Punkt bleibt und sich die Flügel ohne Anströmung entlang horizontaler Ebenen bewegen. Das Schubverhältnis im Vorwärtsflug, welches ein Hauptelement für die Vorderkantenwirbelcharakteristik ist, wurde in diesen Studien nicht betrachtet. Zwei charakteristische kinematische Merkmale von fliegenden Insekten im Vorwärtsflug, d.h. die geneigte und die zurückgeschobene Hubebene, welche die Strömung in Spannweite erheblich verändern und dadurch den Vorderkantenwirbel beeinflussen können, wurden ebenfalls noch nicht ausreichend untersucht. Ein Mangel an Kenntnissen über den Vorwärtsflug führt zu einer Stagnation bei der Entwicklung aerodynamischer Modelle. Studien zur Flugdynamik betrachten oft nur Manöver nahe dem Schwebeflug.Daher sind die in diesem Projekt vorgeschlagenen Untersuchungen zur Aerodynamik von Schlagflügeln im Vorwärtsflug von besonderem Interesse. Die Eigenschaften von Vorderkantenwirbeln, die sich an ebenen Platten mit kleinem Seitenverhältnis ausbilden, werden bei verschiedenen Bewegungsformen unter Anströmung im Detail untersucht. Daraus soll ein neuartiges aerodynamisches Modell abgeleitet werden, das die Vorderkantenwirbeleigenschaften in Bezug auf das Vorschubverhältnis, das Seitenverhältnis und die Pfeilung erfasst. Der Neigungswinkel der Hubebene ist dabei ein wichtiger Parameter. Eine Flugstabilitätsanalyse unter Verwendung des aerodynamischen Modells und der morphologischen Daten eines Beispielinsekts wird ebenfalls durchgeführt. Dies vermittelt verfeinerte und neue Einblicke in die Stabilität und Steuerbarkeit des Vorwärtsflugs von Schlagflügelkonfigurationen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Christian Breitsamter