Experimental investigations on the aerodynamic field of a flapping wing ornithopter

Abstract

[ES] El trabajo se centra en el estudio del comportamiento del flujo alrededor las alas rígidas de un ornitóptero durante su aleteo. Para ello, se realizan varias medidas de sustentación y arrastre en el túnel de viento mediante una balanza dinamométrica. Se lleva a cabo un análisis paramétrico teniendo en cuenta variables cambiantes como la frecuencia de aleteo, la velocidad del túnel de viento, el ángulo de incidencia y la propia geometría del ala en términos de su relación de aspecto. Una vez encontrados los casos de mayor interés, se analizan mediante la técnica PIV (Particle Image Velocimetry), buscando así una mejor comprensión del comportamiento del flujo de la estela aguas abajo del ornitóptero tanto en el tiempo como en el espacio.

[CA] Al llarg de la hist`oria, la capacitat de volar ha despertat un gran inter´es en l’´esser hum`a; qui va prendre de refer`encia als ocells o els insectes amb la finalitat de reproduir el moviment de les seues ales per a aconseguir aquesta fita. No obstant aix`o, segles despr´es dels primers intents es va arribar a una soluci´o diferent a l’esperada, perqu`e es van haver de substituir les ales batents per unes ales fixes perqu`e la seua aerodin`amica resultava m´es f`acil de comprendre. No obstant aix`o, l’aerodin`amica de les ales batents continua resultant molt atractiva a causa del seu potencial, especialment en aplicacions de menor escala com s´on els vehicles aeris no tripulats o, en particular, els micro vehicles aeris, l’estructura dels quals est`a fonamentalment basada en l’anatomia dels insectes. Amb la finalitat d’aprofundir en aquest tema, el seg¨uent document se centra en el comportament del flux al voltant de les ales d’un ornit`opter. Per a aix`o, es construeix el corresponent model junt a tres parells d’ales, totes elles r´ıgides, rectangulars i amb mateixa `area la difer`encia de la qual ´es l’allargament (“Aspect ratio”). S’introdueix el model en el t´unel de vent i mitjan¸cant l’´us d’una balan¸ca dinamom`etrica, es comparen quantitativament les forces aerodin`amiques (“lift” i “drag”) que s’obtenen a diferents velocitats, freq¨u`encies de batuda i angles d’incid`encia. Despr´es d’aix`o, es descarten els casos de menor inter´es i es mesuren de nou els casos `optims mitjan¸cant la t`ecnica PIV (“Particle Image Velocimetry”), podent aix´ı analitzar amb major profunditat com es comporta el flux del deixant aig¨ues avall de l’ornit`opter tant en el temps com en l’espai.

[EN] Throughout history, the ability to fly has aroused great interest in humans, who used birds or insects as a reference to reproduce the movement of their wings to achieve this milestone. However, centuries after the first attempts, a different solution than expected was reached, as the flapping wings had to be replaced by fixed wings whose aerodynamics were easier to understand. Nevertheless, the aerodynamics of flapping wings are still very attractive due to its potential, especially in smaller scale applications such as unmanned aerial vehicles or, in particular, micro aerial vehicles, whose structure is fundamentally based on the anatomy of insects. In order to go deeper into this topic, the following document focuses on the flow behavior around the wings of an ornithopter. For this purpose, the corresponding model of the ornithopter is built together with three pairs of wings, all of them rigid, rectangular and with the same area whose difference is the aspect ratio. The model is introduced into the wind tunnel and, using a dynamometric balance, the aerodynamic forces (lift and drag) are obtained at different speeds, flapping frequencies, and angles of incidence. After that, the cases of less interest are discarded and the optimal ones are measured again using the PIV (Particle Image Velocimetry) technique, thus being able to analyze in greater depth how the wake flow behaves downstream of the ornithopter both in time and space.