[論文レビュー] Effects of Leaders Position and Shape on Aerodynamic Performances of V Flight Formation

Huynh Thien, Mochammad Agoes Moelyadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2008

Micro and Nano Robotics参考文献 4被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、数値シミュレーションを用いて、Vフライト編隊におけるリーダーの位置と翼形状が空力的性能に与える影響を調査する。k-ε乱流モデルを用いてナビエ＝ストークス方程式を解くことで、迎え角、ディヘッド角、スロープ比、テーパ比によって制御される渦の強度が、リーダーの誘導抗力およびフォロワーの有利な上昇気流に直接影響し、編隊効率を最適化することが示された。

ABSTRACT

The influences of the leader in a group of V – flight formation are dealt with. The investigation is focused on the effect of its position and shape on aerodynamics performances of a given V – flight formation. Vortices generated the wing tip of the leader moves downstream forming a pair of opposite rotating line vortices. These vortices are generally undesirable because they create a downwash that increases the induced drag on leader’s wing. However, this downwash is also accompanied by an upwash that can beneficial to the follower’s wing flying behind the leader’s one, namely a favorable lift for the follower’s wing. How much contributions of the leader’s wing to the follower’s wing in the V – formation flight is determined by the strength of tip vortices generated by the leader’s wing which is influenced by its position and shape including incidence angle, dihedral angle, aspect ratio and taper ratio. The prediction of aerodynamic performances of the V–flight formation including lift, drag and moment coefficients is numerically performed by solving Navier – Stokes equations with k - e turbulence model. The computational domain is defined with multiblock topology to capture the complex geometry arrangement of the V – flight formation.

研究の動機と目的

• リーダーの翼の位置および幾何形状がVフライト編隊の性能に与える空力的影響を定量化すること。
• リーダーの翼端渦がフォロワー機の誘導抗力および揚力分布に与える影響を理解すること。
• 迎え角、ディヘッド角、スロープ比、テーパ比といった空力的パラメータが渦の強度および編隊効率に果たす役割を評価すること。
• 計算流体力学を用いて、V編隊全体の揚力係数、抗力係数、モーメント係数を数値的に予測すること。
• リーダーの位置および翼設計を最適化することで、燃料効率の向上が可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 標準k-ε乱流モデルを用いた、リーマン平均ナビエ＝ストークス（RANS）方程式に基づくVフライト編隊の数値シミュレーション。
• V編隊の複雑な三次元幾何形状を正確に解像するためのマルチブロック計算領域の構築。
• リーダーの翼の後方で発生する反時計回りの線状渦として、翼端渦をモデル化。
• シミュレーションから得られた圧力場および速度場に基づき、空力係数（揚力、抗力、モーメント）を計算。
• 迎え角、ディヘッド角、スロープ比、テーパ比といった翼パラメータを系統的に変化させ、それらが渦の強度および性能に与える影響を評価。
• 計算流体力学を用いて、リーダーのダウンウォッシュとフォロワーのアップウォッシュの相互作用を分析し、性能向上のメカニズムを解明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダーの翼迎え角が、V編隊における翼端渦の強度および軌道にどのように影響するか？
• RQ2 ディヘッド角がフォロワー機の空力的性能に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ3 リーダーの翼のスロープ比およびテーパ比が、渦誘導抗力およびフォロワーへの上昇気流の利点にどのように影響するか？
• RQ4 リーダーの渦場がフォロワーの揚力および誘導抗力に及える網羅的空力的利点は何か？
• RQ5 翼の幾何形状の変更が、Vフライト編隊全体の揚力対抗力比にどのように影響するか？

主な発見

• リーダーが生成する翼端渦の強度は、主に迎え角およびディヘッド角といった翼の幾何形状に直接的に影響を受ける。
• スロープ比およびテーパ比を増加させることで、渦の強度が低下し、リーダーの誘導抗力も減少する。
• リーダーの翼の後方の上昇気流領域は、フォロワーに測定可能な有利な揚力を提供し、その誘導抗力を低減する。
• マルチブロックCFD設定により、複雑な渦の相互作用を適切に捉え、空力係数を正確に予測できた。
• 渦誘導ダウンウォッシュはリーダーの誘導抗力を増加させるが、同時に同じ渦がフォロワーに有益なアップウォッシュを生じさせる。
• 最適な翼形状および位置が、V編隊全体の空力的効率を顕著に向上させることができる。