DIY profielen voor een plank

[PapaHotel]

Ik ben op zoek naar een leuke vleugelprofiel voor een nieuwe plank. Het moet een 2-3 meter zwever worden voor aan de helling en een soort warm-liner bij de club.

Intussen was ik dit draadje (Knecht Ruprecht - flying wing by Peter Wick & me) van een vriend (Raphael) op RCGroups aan het volgen. En Raphael is toevallig een goede vriend van Peter Wick en samen zijn ze met een super plank bezig. Daarbij gebruiken ze een nieuwe profielenreeks van PW die ze liever niet willen publiceren.

PW heeft wel de polairen van de profielen met wat uitleg op het web gezet.

RC Groups - View Single Post - Knecht Ruprecht - flying wing by Peter Wick & me

Because the Knecht should be able to DS and come down fast from heights with ballast the airfoils should not be too thin.
Thicker airfoils do also show some increase in lift at higher RE. This is god for big sky acrobatics and F3F style of flying. This comes at the cost of some more drag at low CL´s at lower Re. Thats whats basically was the tradeoff for the airfoils of the Knecht.
The wing has 5 airfoils along the span. The root airfoil is just a tad thicker and more cambered that the main airfoil, around 8,6% to get room for RC gear. The main airfoil is 8,24% thick and has 1,44% camber and is maintained for most of the wing. At spanstation 70cm from the root, is a new airfoil with 8,21 % thickness and it is better at low RE. At spanstation 105 the airfoil is just 7,82% thick and has 1,37% camber and the tip the airfoil is 7,57% thick and has 1,21% camber.
Lets compared the polars to the TP 100 Plank airfoil which is one of the fastest made public. It is thin 7,25% and has 1,36% camber. First picture is at RE 200k and you can see, that the polars are very similar, even the PW is much thicker. The TP has lower drag at low CL, will therefor accelerate faster....which means also that the RE is raising and at the second picture, RE 500k, you see, that the polars are almost a match.

RC Groups - View Single Post - Knecht Ruprecht - flying wing by Peter Wick & me

The picture is very similar, almost identical polars, even the PW is a bit thicker. But more lift and a broader CL/Alpha range near stall, which should make the plane very forgivning at low speeds.
CM curve very similar too.

Hmm, ik wil ook zo een profiel! Misschien zou ik de profielen kunnen krijgen als ik er om zou vragen maar het is natuurlijk veel leuker om ze zelf te ontwerpen.

Vandaag ben ik gaan experimenteren met het ontwerpen van eigen profielen. Eerst begonnen met het doorrekenen (met Profili) van de in CorelDraw getekende profielen. Gewoon om te kijken hoever ik ermee kwam. Tot mijn grote verbazing bleekt het niet zo moeilijk te zijn om wat bruikbaars te ontwerpen. Alleen was de workflow niet geschikt om er snel, vele varianten mee te creëren. Toen heb ik zelf een programmatje geschreven om wat efficiënter te kunnen werken.

Als referentie heb ik ook mijn resultaten naast de TP100 gezet:

De rode "Si 10+21...." is dus mijn profiel. Het is dikker (8.2%) dan de TP100 (7.2%), toch lijkt het bijna overal beter te presteren. Het ziet er ook beter uit dan die van PW.

Niet slecht toch, of zie ik iets over het hoofd?

Groeten, Sinan

 

[Rick NL]

De rode "Si 10+21...." is dus mijn profiel. Het is dikker (8.2%) dan de TP100 (7.2%), toch lijkt het bijna overal beter te presteren. Het ziet er ook beter uit dan die van PW.

Niet slecht toch, of zie ik iets over het hoofd?

Groeten, Sinan

Ik denk dat de reflex een klein beetje te weinig is om zonder klepuitslag een stabiele vlucht te creëren. Je Cm moet in de gewenste vliegcondities licht positief zijn om dan met een zwp iets voor het NP een (net) stabiele getrimde vlucht te krijgen.

Het profiel van Peter voldoet ook net niet aan deze criteria, maar is ook echt gemaakt voor DS'en, dus heel hard vliegen. Gezien zijn ervaring met planken moet zijn reflex dus ook in de praktijk genoeg zijn. Verder is XFoil op Cm altijd wat minder exact dan op lift en weerstand.

Rick

 

[PapaHotel]

Het is niet zo heel moeilijk om de Cm omhoog te krikken, al gaat het dan altijd ten koste van de lift. Alleen zo mooi vlak zoals die van PW krijg ik ze niet. Hoe dat moet, moet ik nog zien te leren.

Dit is werkelijk verslavend. Ik heb de hele dag niets anders gedaan dan profielen in elkaar zetten en het vergelijken met de performance van de bestaande/bewezen profielen. Daarbij heb ik mezelf elke keer een andere opdracht gegeven. De resultaten heb ik elke keer met PW211, PW98, Jwl097 en TP100 vergeleken. Het is niet te doen om de twee bekende profielen van PW te verslaan maar het komt wel in de buurt en dat vind ik al een grote eer.

Als ik er weer eens tijd voor heb, ga ik XFoil direct aansturen vanuit mijn programma. Dan hoef ik niet elke keer te switchen naar Profili. Misschien lukt het zelfs om de resultaten interactief te tonen tijdens het ontwerpen. Dan nog iets bedenken voor het automatisch beoordelen van de profielen aan de van de gestelde criteria. En daarna …

Sinan

 

[PapaHotel]

Zo ziet mijn programmatje in zijn embryonale stadium er uit:

Wat voor software zouden de echte ontwerpers gebruiken?

 

[DirkSchipper]

Ik weet niet wat jij met 'echte ontwerpers' bedoeld, maar XFLR5 heeft een fantastische functie: "Inverse design" (zo uit mijn hoofd).

Start XFLR5 op, importeer een profiel dat je als uitgang wilt gebruiken (Ctrl-O en selekteer een profiel).
Ctrl-1 toont je het profiel met wat basiskenmerken.
Ctrl-3 brengt je naar het 'inverse design' deel.
Ik gebruik alleen "full inverse" omdat ik die "Mixed inverse nog niet goed begrijp".

Getoond wordt onderaan het profiel (eerst een laden met de knop bovenin met het rode pijltje).
Bovenaan wordt een grafiek getoond die de stroomsnelheid over het profiel weergeeft. De linker kant met negatieve waarden is de stroming langs de onderzijde van het profiel, de rechter kant met positieve waarden de bovenzijde.
Je kunt zoomen met het scroll-wieltje, en de grafiek in/uit beeld schuiven door te klikken (vasthouden) en de muis bewegen.

Je kunt dat stroomsnelheidsprofiel aanpassen (wel even rechts 'Tangent Spline' eaan klikken) door op 'New Spline' te klikken.
Dan ga je met de muis terug naar het snelheidsprofiel.
Er verschijnt nu een rood blokje op de grafiek. Met een eerste klik leg je het begin van het te modificeren stuk vast, met een tweede klik het eind.
Er is nu een stuk van de grafiek bruin gekleurd. Ook zijn er 5 cirkeltjes verschenen. Twee ervan geven begin en eindpunt aan (je kunt die op elk moment verplaatsen) de andere drie kun je verplaatsen om dat stuk grafiek anders te vormen.
Als je klaar bent klik je rechts op de knop 'Apply Spline' en daarna op 'Execute' (je kunt ook eerst meerdere 'applies' doen voordat je op 'Execute' klikt.
Na 'Execute' rekent het programma uit welke profielvorm daarbij hoort.
Het nieuwe profiel wordt nu samen met het oude weergegeven, incl. enkele basis waarden (welving en dikte).
Met de knop bovenaan met de groene pijl kun je het gemodificeerde profiel opslaan.

Het is lastige materie. Ik kan nog steeds niet aan iemand uitleggen waarom ik wat doe om iets specifieks te bereiken, maar het lukt mij steeds beter.

Maar begin met iets in de buurt van wat je wilt bereiken. Van scratch af aan een eigen profiel ontwerpen is HEEEL ERG LASTIG !!!

Succes.

 

[PapaHotel]

Ik heb wel eens naar de Inverse Design functie gekeken maar begreep er niets van. Toen ontbrak er ook de motivatie om me er in te verdiepen. Ik zal er nog eens naar kijken. Bedankt voor de beschrijving, het maakt een stuk makkelijker om er in te duiken.

Btw., ik heb geen serieuze plannen om mijn eigen profielen te ontwikkelen o.i.d. Ik ben alleen verbaasd van hoever je kunt komen met wat experimenteren (en dat ongehinderd door enige kennis). Die verwondering wilde ik delen.

Daarbij realiseer ik me natuurlijk ook dat de laatste beetjes van de optimalisatie onevenredig veel kennis en inzet vereist. Beide heb ik niet, maar wel de neiging alles te willen automatiseren. Ik moet mezelf heel erg beheersen om er niet mee te gaan spelen (teveel projecten tegelijk). Maar i.i.g. genoeg stof om over na te denken.

Sinan

 

[DirkSchipper]

Ik heb wel eens naar de Inverse Design functie gekeken maar begreep er niets van. Toen ontbrak er ook de motivatie om me er in te verdiepen. Ik zal er nog eens naar kijken. Bedankt voor de beschrijving, het maakt een stuk makkelijker om er in te duiken.

Geen dank.

Daarbij realiseer ik me natuurlijk ook dat de laatste beetjes van de optimalisatie onevenredig veel kennis en inzet vereist.

Dat laatste beetje optimalisatie en aanpassing is naar mijn gevoel vrij makkelijk met inverse design.
- net iets meer reflex inbouwen om net dat streepje meer stabiliteit te krijgen,
- zorgen dat dikste/meest gewelfde punt iets meer naar voren komt, met een vlakker verloop daarachter om een profiel wat minder Re-gevoelig te maken
- de holling onder-/achter wat verminderen om een laminaire wervel tijdens high-speed te voorkomen

Dat zijn relatief makkelijke aanpassingen middels inverse design.

Onlangs heb ik nav. een draadje op MBF nog eens met een Ritz-profiel zitten stoeien. Het is verbazend wat je daar in een uurtje aan kunt optimaliseren ...

Mijn werkwijze:
- zoek een bestaand profiel dat dicht komt bij wat je wilt hebben, en ga daarmee aan de slag.
- vaak maak ik dan eerst in Profili varianten voor wortel, midden, tip (midden en tip elk een stapje dunner, en de tip de max dikte en welving ook nog een paar % naar voren).
- dan, ook nog in profili, grafisch modificeren van welving en profielvorm (dan kun je m.n. de vervormingen bij de neus agv. dikte-/welvingsverandering op het oog corrigeren).
- die profielen exporteer ik naar XFLR5,
- en dan inverse design.

Veel plezier ermee.

 

[PapaHotel]

Ik heb gisteravond met inverse design zitten stoeien, echt heel leuk. Boeiend dat ze vanuit de stroomsnelheid het profiel construeren. Dat had ik niet begrepen.

Wat het optimaliseren betreft, het viel me op dat de performance van een goed uitgebalanceerd profiel zoals PW98 wel te benaderen is maar dat het net niet lukt om er overeen te komen. Elke keer als je een aspect denkt te verbeteren wordt het elders minder. Niet zo verbazingwekkend natuurlijk, altijd compromissen sluiten en het is gewoon een heel mooi profiel.

Voor het snel stoeien heb ik mijn programmatje CubicFoil geschreven. Daarmee kan ik zeer snel ‘normale’ profielen (zonder rare bulten, oid.) in elkaar zetten. Een profiel wordt bij mij gedefinieerd aan de hand van 4 controlepunten met in totaal 14 parameters. Met die 14 getallen worden er 4 segmenten (=cubic splines) van het profiel gecreëerd die netjes in elkaar overlopen.

Het kan verder ook bestaande profielen in .dat formaat inlezen en exporteren. De ingelezen .dat bestanden worden niet direct geëdit maar gebruikt als achtergrond. Ik kan ze wel handmatig overnemen door een paar van de 14 parameters te veranderen. Nog geen profiel tegengekomen waarbij het niet gemakkelijk lukt. De overgenomen profielen kan ik daarna naar hartenlust manipuleren en weer exporteren als .dat bestanden.

Mijn workflow was: elke keer een variant creëren, die inlezen en doorrekenen in Profili. Vooral kijken of de aanpassingen het gewenste effect heeft bereik t.o.v. de vorige varianten en hoe het zich verhoudt t.o.v. de bekende profielen. En dan weer terug...

Het gaat allemaal wel snel maar het zijn uiteindelijk toch teveel muis klikjes. Als ik hier ooit mee doorga, zal ik als eerste XFoil integreren in mijn applicatie zodat ik niet naar Profili of XFLR5 hoeft te overstappen voor de analyse en inverse design. Ze doen uiteindelijk ook niets anders dan het tonen van de resultaten uit XFoil. Ook zou het dan interessant zijn om de resultaten uit XFoil automatisch te kunnen interpreteren en beoordelen op basis van zelf te definiëren criteria.

 

[Rick NL]

Het gaat allemaal wel snel maar het zijn uiteindelijk toch teveel muis klikjes. Als ik hier ooit mee doorga, zal ik als eerste XFoil integreren in mijn applicatie zodat ik niet naar Profili of XFLR5 hoeft te overstappen voor de analyse en inverse design. Ze doen uiteindelijk ook niets anders dan het tonen van de resultaten uit XFoil. Ook zou het dan interessant zijn om de resultaten uit XFoil automatisch te kunnen interpreteren en beoordelen op basis van zelf te definiëren criteria.

Er zijn meerdere varianten van Xfoil, die van Profili (die ik ken) is anders dan die van de laatste XFLR5.
Verder voordeel van XFLR5 is dat je multithreaded batch files aankan maken. Met mijn 11" Asus zenbookje met I7 3517U (4 cores) gaat het doorrekenen razend snel. Hij rekent 15 - 22 polaires per minuut van -6° tot +12° per 0,5°. Een beetje afhankelijk van profiel en aantal panels (vaak ~200) en of de berekeningen van het profiel makkelijk convergeren.

Rick

 

[DirkSchipper]

Hmmm, grappig.
Jouw opmerkingen over versies van XFoil kende ik al wel, maar triggerden me nu om eens te kijken of Profili van de nieuwste XFoil-versie kan worden voorzien. Het antwoord is: Ja, simpel!

- Download XFoil (Google op "xfoil download"), de laatste versie die ik kon vinden was v6.99.
- Zoek "xfoil.exe" in de Profili-folder in 'Program files'.
- Die heb ik voor de zekerheid eerst even hernoemd naar "xfoil_old.exe_old".
- Dan de nieuwe "xfoil.exe" in die map kopiëren.
- Profili starten en het werkt.

Voordelen?
Weet ik nog niet precies. In ieder geval kan ik nu zorgen dat XFLR5 en Profili dezelfde versie XFoil draaien.

 

[PapaHotel]

Ik mijn heb de XFoil van Profili nu ook aangepast en alles werkt nog.

 

[Wubbe]

Als ik er weer eens tijd voor heb, ga ik XFoil direct aansturen vanuit mijn programma. Dan hoef ik niet elke keer te switchen naar Profili. Misschien lukt het zelfs om de resultaten interactief te tonen tijdens het ontwerpen. Dan nog iets bedenken voor het automatisch beoordelen van de profielen aan de van de gestelde criteria. En daarna …

Volgens mij bestaat het ambacht van profielen ontwerpen uit een aantal stappen:

1. wijzig iets in een bestaand profiel
2. Maak een analyse daarvan in XFoil
3. Beoordeel wat de eigenschappen zijn
4. Ga terug naar stap 1

Dat moet toch te automatiseren zijn? Zodanig dat je steeds op een optimaal profiel komt gegeven de ingegeven parameters?
Ben je dat van plan? Geweldig

 

[DirkSchipper]

Dat moet toch te automatiseren zijn? Zodanig dat je steeds op een optimaal profiel komt gegeven de ingegeven parameters?

Daar heb je helemaal gelijk in. Maar ik voorzie één piepklein probleempje: definieer "optimaal" eens objectief. En wel in termen die te programmeren/automatiseren zijn.

 

[Wubbe]

Daar heb je helemaal gelijk in. Maar ik voorzie één piepklein probleempje: definieer "optimaal" eens objectief. En wel in termen die te programmeren/automatiseren zijn.

Dat moet dus in termen van Cl en andere parameters waar ik helemaal geen verstand van heb.

Een specificatie als De ClMax (ik zeg maar wat) moet hoger zijn dan de Cm bij een Re van X. OF zoiets. Snap u?

 

[DirkSchipper]

Zo'n programma bestaat al:
Edgar : < Evolution Designs - Airfoil Design Software

En Prop-er heeft er ook mee geëxperimenteerd : [post1]

 

[Rick NL]

Volgens mij bestaat het ambacht van profielen ontwerpen uit een aantal stappen:

1. wijzig iets in een bestaand profiel
2. Maak een analyse daarvan in XFoil
3. Beoordeel wat de eigenschappen zijn
4. Ga terug naar stap 1

Dat moet toch te automatiseren zijn? Zodanig dat je steeds op een optimaal profiel komt gegeven de ingegeven parameters?
Ben je dat van plan? Geweldig

Ik ben helemaal eens met de 4 punten, alleen is punt 3 veel uitgebreider dan je suggereert met de vraag of het te automatiseren zou zijn. Praktijk ervaring is nodig.

Er spelen zoveel aspecten bij het ontwerp van een (serie) profiel(en) voor een model dat alleen iemand met veel simulatie ervaring, gecombineerd met de praktijkervaring met de simulatieresultaten, het gewenste gedrag redelijk tot goed kan ontwerpen in zo een "automatisering".

Los van de mooie polaires die je redelijk goed kan voorspellen zijn er meer aspecten van belang voor goed vliegen van een vleugelontwerp zoals gevoeligheid voor turbulentie in de lucht, overtrek en herstel na overtrek, bochtengedrag, 3-D aspecten bij de tip, gevoeligheid voor bouwafwijkingen.

Al met al is de meester iemand met aanleg voor een vak en ervaring in alle aspecten. Het eerste is een gave, de rest is zorgvuldig werken, met enthousiasme, gevoel en doorzettingsvermogen.

Maar je hebt gelijk, goede geautomatiseerde simulaties kunnen zeker helpen.

Rick

 

[PapaHotel]

Wubbe, of ik dat van plan ben? Nee, het is meer een fantasie dan van plan zijn.

Zoals Dirk en Rick het aangeven, het is niet eenvoudig (=bijna niet te doen) om het ontwerpproces via deze route volledig te automatiseren. Er zouden eerst een aantal fundamentele problemen opgelost moeten worden. Als ik even hardop nadenk:

1. Het bepalen van relevante dimensies voor de ontwerpcriteria
2. Het beperken van het zoekgebied aan de hand van de randvoorwaarden
3. Het berekenen van polaires binnen de randvoorwaarden
4. Het extraheren van meetbare kenmerken voor het beoordelen van performance
5. Het bepalen van de parameters voor het creëren van de profielen
6. Het bedenken van algoritmen voor het vinden van de optimale resultaten aan de hand van de ontwerpcriteria.

Ontwerpcriteria:
De gebruiker zou de ontwerpcriteria moeten bepalen aan de hand van een aantal kenmerken.

Een paar voorbeelden:
- Vluchtduur
- Afstand
- Snelheid
- Overtrek gedrag (evt. ook inverted)
- Momentverloop (Cm, vooral relevant voor planken)
- Maximale dikte (constructief handig)
- … (Er zijn vast veel meer relevante criteria te bedenken)

Deze criteria moeten ook voorzien worden van weegfactoren. Het is altijd een compromis, de gebruiker zou daarom per kenmerk moeten aangeven hoe belangrijk een criterium is t.o.v. de andere criteria.


Randvoorwaarden:
Aan de hand van de randvoorwaarden kan het zoekgebied bepaald worden. Voorbeelden van randvoorwaarden:
- Vleugel korde en snelheidsrange (--> Re gebied)
- Ballast (in procenten gewicht, optioneel)
- Flaps (range, optioneel)
- Minimale profieldikte (constructief handig)
- …

Bijvoorbeeld, een korde van 30cm en het snelheidsbereik van 20 tot 60km/h betekent dat er gerekend moet worden met de Re-waarden tussen 113K..340K. Om het een beetje behapbaar te houden, zouden er drie polairen berekend kunnen worden voor de Re’s 100K (overtrek, thermiek), 150K (kruisvlucht) en 300K (steken). Als er ook nog eens ballast toegepast wordt, verschuiven de Re gebieden. Bv. met twee ballast waarden erbij moeten er dan 9 polairen per profiel berekend worden. Als er ook nog eens 2 flapstanden er bij komen, worden het er 27 polairen per profiel (=stuk minder behapbaar).

Met een randvoorwaarde als minimale profieldikte, kunnen een aantal profielen bij voorbaat uitgesloten worden omdat ze niet haalbaar zijn met de gekozen bouwmethode.


Berekenen:
Het berekenen van polairen kan toevertrouwd worden aan een beproefd programma zoals XFoil. Hiervoor moet XFoil bestuurd worden om de gewenste polairen automatisch te berekenen. Goed te doen.


Meten:
De resultaten uit XFoil moeten vertaald worden naar kenmerken die relevant zijn voor het beoordelen van de performance. Dit is redelijk eenduidig te doen voor sommige criteria, voor een heleboel andere criteria zal het stuk moeilijker zijn.

Bijvoorbeeld, wil je optimaliseren op maximale vluchtduur, zoek naar een profiel met maximale (L/D) bij lage Re waarden. Optimaliseren op afstand, kijk naar de (L/D) verhouding bij minimale (D). Snelheidsduivel, zoek vooral naar de laagste D waarde met een positieve L (maar voor het snelle bochtenwerk, kijk ook naar (L/D)max en (L)max bij hoge Re waarden). Etc.


Creëren:
Als we in staat zijn om de performance van de profielen te meten aan de hand van de gegeven criteria, hebben we de perfecte profielen database gebouwd maar nog geen automatische ontwerp tool. Daarvoor moet het programma in staat zijn om vele bruikbare varianten te creëren. Ik heb een systeem opgezet met 4 punten en 14 parameters. Daarmee lijk ik alle ‘gangbare’ profielen te kunnen benaderen maar 14 parameters zijn best veel voor een geautomatiseerd systeem. Ik weet niet of het ook met minder kan.

Daarnaast moet er een algoritme moeten komen voor het automatisch omzetten van bestaande profiel coördinaten naar mijn formaat. Het is noodzakelijk om gebruik te kunnen maken van de bestaande oplossingen als startpunt. Helaas niet zo eenvoudig te doen.


Optimaliseren:
Hoe vinden we het profiel dat optimaal voldoet aan de gestelde criteria?
Ten eerste als er een goed gevulde database van profielen voorhanden is, hoeven we niet blanco te beginnen. Het kan flink wat werk sparen om gebruik te maken van wat er al is. “Case-based” of “repair-based” design wordt dat wel eens genoemd.

Een strategie kan zijn: we pakken uit de database het profiel dat het meest in de buurt komt en optimaliseren we deze door de bovengenoemde 14 parameters te variëren. De zgn. “brute kracht methode” waarbij de parameters systematisch veranderd worden op zoek naar een betere oplossing kan in praktijk vies tegenvallen. Er zijn gewoon teveel parameters.

Kennis van samenhang tussen de parameters en de kenmerken zou handig zijn om het zoeken slimmer te maken. Maar, het lijkt me heel moeilijk om die kennis het eenduidig vast te leggen.

Als die kennis er niet is, kunnen we gebruik maken van een genetisch algoritme waarbij de betere profielen onder elkaar gekruist worden met de hoop dat sommige van hun kindertjes het nog beter zullen doen dan hun ouders. Als je dit een aantal generaties lang doet komt er hopelijk het über-profiel uitgerold. Het kan een elegantere (of lompere?) aanpak zijn.


Het zou heel leuk zijn om hier aan te werken maar het is niet realistisch te verwachten dat er op korte termijn iets bruikbaars uitkomt.

 

[PapaHotel]

Prop-er z’n project met Edgar heb ik destijds met grote interesse gevolgd. Wat zij hebben gerealiseerd is uiteindelijk niet veel anders dan wat hierboven staat. Het lijkt me een veelbelovend product.

Maar, zoiets zelf maken zou natuurlijk veel leuker zijn.

 

[DirkSchipper]

Prop-er z’n project met Edgar heb ik destijds met grote interesse gevolgd. Wat zij hebben gerealiseerd is uiteindelijk niet veel anders dan wat hierboven staat. Het lijkt me een veelbelovend product.

Maar, zoiets zelf maken zou natuurlijk veel leuker zijn.

Mee eens, maar dat kan niet anders als ten koste van veel vlieguren gaan ...
En da's toch ook jammer.