Design og testing av hydroelastiske løfteflater for statisk og dynamisk tilfelle

Abstract

Et litteraturstudie viste at oscillerende hydrofoiler har noen lovende resultater med tanke på thrust og propulsjonsvirkningsgrad, sammenlignet med tradisjonelle propellere. Dynamisk stall spiller en viktig rolle i kraften som genereres av en oscillerende hydrofoil. Flyvinger er utformet for å twiste vingen til en lavere angrepsvinkel (AoA) når løftet på vingen øker. I designfasen av denne avhandlingen ble det gjort en innsats for å designe en NACA0012 hydrofoil, med 15cm kordelengde, for å få den til å twiste til lavere AoA for økt generert kraft. Designet ble skrevet ut med Stratasys 3D-skriver på SINTEF Ocean. Resultatene ble sammenlignet med en referansefoil med stivere materialegenskaper. \\ \\ Forsøkene ble utført i en sirkulasjonstank (CWT) ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU). Tester på to hydrofoils som oscillerer sideveis og i rotasjon med harmonisk sinusbevegelse ble utført ved fire strømningsforhold ($ Re $ = 22500, 37500, 45000, 52500). \\ \\ Tidligere eksperimenter av L. Bösch (2017) og Read (2003) ble repetert. Samsvar ble funnet for en maksimal angrepsvinkel ($\alpha_{max}$) på 22,5$\degree$. \\ Propulsjonsvirkningsgraden viste en tendens til en fase mellom sideveis- og rotasjonsbeveglsen mot $ \phi = 75\degree $. Den samme tendensen konkludert Bösch med i 2017. For de fleste $\alpha_ {max}$ hadde den fleksible hydrofoilen høyere propulsjonsvirkningsgraden ($\ eta_p \approx 50\% $). Den fleksible hydrofoil med $\phi = 90\degree $ viste seg å generer noe høyere thrust ($C_T$) for $ St = 0.20 - 0.40 $.

A background study showed that oscillating hydrofoils has some promising results concerning thrust generation and propulsion efficiency, compared to traditional propellers. The dynamic stall has an important role in the thrust and lift generated by the oscillating hydrofoil. Aircraft wings are designed to twist to a lower angle of attack (AoA) when the lift on the wing increase, to ensure no stall on the wing. In this thesis, a NACA0012 hydrofoil with 15cm chord was designed and printed. The design aimed to make it twist to a lower AoA for higher loads. The design was printed with Stratasys 3D-printer at SINTEF Ocean. The results were compared with a reference foil with stiffer material properties. \\ \\ The experiments were conducted in the circulating water tunnel (CWT) at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). Test on two hydrofoils oscillating in sway and yaw with harmonic sinus motion was conducted at four flow condition ($Re$ = 22500, 37500, 45000, 52500). \\ \\ Previous experiments by L. Bösch (2017) and Read (2003) was repeated. An agreement was found for a maximum angle of attack ($\alpha_{max}$) of 22.5$\degree$. \\ \\ The propulsion efficiency showed a tendency towards $\phi = 75\degree$, phase angle between sway and yaw. Bösch concluded the same tendency in 2017. For several $\alpha_{max}$ the flexible hydrofoil has higher efficiency, than the stiff foil ($\eta_p \approx 50\%$). Regarding the thrust generation the flexible hydrofoil with $\phi = 90\degree$ showed a somewhat higher $C_T$ for $St = 0.20 - 0.40$.