ISFV12, Public Lecture – W. Send, The Da Vinci Vortex 1 (30) The Da Vinci Vortex - Experimental Lecture - Wolfgang Send Institute of Aeroelasticity, German

1 (30)ISFV12, Public Lecture – W. Send, The Da Vinci Vortex

The Da Vinci Vortex- Experimental Lecture -

Wolfgang Send

Institute of Aeroelasticity, German Aerospace Center (DLR)Göttingen, Germany

Public lecture on the occasion of the

12th International Symposium on Flow Visualization, 10 - 14 September 2006 in Göttingen, Germany

Understanding flight – Fliegen verstehenLearning from flows – Von Strömungen lernen Bernoulli’s equation – Bernoullische GleichungWhere do lift and drag come from? – Woher kommen Auftrieb und Widerstand? Vortices and lifting surfaces – Wirbel und tragende FlächenExcursion into nature’s patents – Exkurs zu den Patenten der NaturRevealing nature’s secrets – Geheimnisse der Natur aufdecken

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ISFV12, Public Lecture – W. Send, The Da Vinci Vortex

2 (30)

Understanding flight – Fliegen verstehen

Airbus A340

Balance of forces - Gleichgewicht der Kräfte

Lift – (dynamischer) Auftrieb*

* Im Gegensatz zum statischen Auftrieb (englisch: buoyancy)

Thrust – Schubkraft

Drag – Widerstand

Weight – Gewicht


3 (30)


Balance of forces - Gleichgewicht der Kräfte

Lift – Auftrieb

Thrust – Schubkraft

Drag – Widerstand

Weight – Gewicht

Otto Lilienthal, Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst Gärtner Verlag, Berlin 1889 (Tafel VIII) - (1848 – 1896)


4 (30)


Thrust according to Newton‘s law actio = reactioHistoric experiment by Étienne-Jules Marey

Schubkraft folgt Newtons Gesetz actio = reactio

Étienne-Jules Marey, La Machine AnimaleÉd. F. Alcan, Paris 1891. Fig. 84 – (1830-1904)

Thrust - Schubkraftca. 0.14 N

Movie


5 (30)


Research in animal flight – Untersuchungen des Tierflugs

Étienne-Jules Marey, Le Vol des Oiseaux, Éd. G. Masson, Paris 1890.

Étienne-Jules Marey, La Machine AnimaleÉd. F. Alcan, Paris 1891 (Fig. 110)

The traces of the needles of his pressure sensors on the rotating soot cylinder are an important historic document.

Die Spuren der Nadeln seiner Druckmesser auf Rußwalzen sind ein bedeutendes historisches Zeugnis.

Mouvement de haut en bas (HB) – Bending – Schlagen Torsion de l‘articulation scapulo-humérale (S) – Feathering - DrehenAvant et arrière (le bord postérieur est relevé) (AP) – Lagging - Schwenken


6 (30)

Learning from flows – Von Strömungen lernen

Flat plate and cambered plateSmoke channelEbene Platte und gewölbte PlatteRauchkanal

Probably, worldwide the very first photographs visualizing flows 1899 (following the negative plate)Vermutlich die ersten Bilder von Strömungen überhaupt und weltweitÉtienne-Jules Marey1899 (nach der Negativplatte)

Source: L. Mannoni, Étienne-Jules Marey la mémoire de l‘œil, Edizioni Gabriele Mazzotta, Milano 1999


7 (30)

The advantage of camber – Der Vorteil der Wölbung

Lilienthal discovered the advantage of the cambered plate over the flat plate (drawing).Lilienthal entdeckte den Vorteil der gewölbten Platte gegenüber der ebenen Platte (Zeichnung).


Otto Lilienthal, Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst , Gärtner Verlag, Berlin 1889 W. Heinzerling, H.Trischler Hrsg., Otto Lilienthal

Deutsches Museum, München 1991


8 (30)

Leonardo da Vinci: His heritage – Sein Erbe

Leonardo da Vinci (1452 – 1519) Codex Sul volo degli uccelli Folio 8 Recto

At Leonardo‘s time, no knowledge about the flow around the flying animals existed. Air is invisible. He observed the currents of water.

Zu Leonardos Zeiten gab es keine Kenntnis über die Strömung um fliegende Lebewesen. Luft ist unsichtbar. Er beobachtete Wasserströmungen.


Leonardo da Vinci, Windsor 12660 recto


9 (30)

Drawing of a vortex pair – Zeichnung eines Wirbelpaars


Leonardo da Vinci, Windsor 12660 recto

The strong vortex plait in the middle emanates from the two vertical edges.

Der starke Wirbelzopf in der Mitte stammt von den beiden senkrechten Kanten.

Bryan Thwaites, Incompressible Aerodynamics Oxford 1960, Fig. VIII.2


10 (30)

Experiment: The Da Vinci vortex

Small private water tunnel – Re-designed! (built for an entirely different purpose) Kleiner privater Wasserkanal – Umgebaut!(gebaut für gänzlich anderen Zweck)

Movie



11 (30)

The pair of vortices behind a flying aeroplane Das Wirbelpaar hinter einem fliegenden Flugzeug


Flying inevitably depends on the formation of vortices. Current aeronautical research concentrates on minimising their energy and on techniques effecting a premature decay.Movie: Modern transport aircraft in a slingshot tunnel.

Fliegen ist unauflöslich mit der Bildung von Wirbeln verbunden. Aktuelle Luftfahrtforschung konzentriert sich auf möglichst geringen Energieinhalt und ihren vorzeitigen Zerfall.Film: Modernes Verkehrs-flugzeug in einem Katapultkanal

Courtesy of A. Schröder – DLR Göttingen

Movie


12 (30)

The vortex behind a starting aerofoil Der Wirbel hinter einer startenden Tragfläche


Ludwig Prandtl (1875 – 1953)Prandtl wrote the basic papers which describe vortices as the driving mechanism for lift and drag.First director of the aeronautical research establishment in Göttingen (founded in 1907 – the modern DLR). Prandtl schrieb die grundlegenden Arbeiten, die Wirbel als treibenden Mechanismus für Auftrieb und Wider-stand beschreiben.Erster Direktor der Forschungsanstalt für Luftfahrt in Göttingen (1907 gegründet – die heutige DLR).

The development of lift at the very first moment Movie made 1927 and 1932-33 at Prandtl‘s Institute Der erste Augenblick der Entstehung des AuftriebsFilm entstanden 1927 und 1932-33 an Prandtls Institut

Movie


13 (30)

Where does the downward motion of the vortices come from? Wo kommt die Abwärtsbewegung der Wirbel her?


Reaction force to the lift? - Gegenkraft zum Auftrieb?1

Pure vortex dynamics? - Reine Wirbeldynamik?2 2Right answerRichtige Antwort

Movie Movie


14 (30)


The large tropical hurricane shows a vortical structure. Der große tropische Sturm zeigt eine wirbelförmige Struktur.


15 (30)

Understanding flight – Fliegen verstehenBeyond the scope of fluid mechanics, vortical structures play an important role as a pattern of organized matter. Über die Strömungsmechanik hinaus spielen wirbelförmige Strukturen eine bedeutende Rolle als Ordnungsmuster der Materie.


16 (30)

Bernoulli’s equation – Bernoullische Gleichung

Static and kinetic energy – Statische und kinematische Energie

Pressurized balloon Ballon unter Druck

BB MpV ,,

Volume – Volumen

221

/

uMEu

VpEVM

MpV

Bkin

Bstat

BB

B

B

Pressure – Druck

Mass – Masse

Density – Dichte

Static Energy – Statische Energie

Velocity – Geschwindigkeit

BMu,

+ = konstant

Kinetic Energy – Kinematische Energie

Bernoulli‘s equation – Bernoullische Gleichung

konstant221 up

Mass in motion Masse in Bewegung

+ = +

+ = +

That means:Das heißt:


17 (30)

Bernoulli’s equation – Bernoullische Gleichung

Pressure and velocity – Druck und Geschwindigkeit

u

p

Pressure – Druck

Density – Dichte

Velocity – Geschwindigkeit+ = konstant

konstant221 up

Bernoulli‘s equation – Bernoullische Gleichung

Constant volume flow Q Konstanter Volumenstrom Q

Velocity – Geschwindigkeit

[m³/s]

Pressure – Druck


18 (30)

Where do lift and drag come from? – Woher kommen Auftrieb und Widerstand?

The change in mass flow – Die Änderung im Massenstrom

a) Lift – (dynamischer) Auftrieb

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5X

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

z

Uabs1.50

1.25

1.00

0.75

0.50

NACA0012

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5X

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

z

Uabs1.50

1.25

1.00

0.75

0.50

NACA0012

Constant volume flow Q. Without angle of incidence (left), equal massflow below and above the profile. With angle of incidence (right), more mass flows on the upper side than does on the lower side. Konstanter Volumenstrom Q. Ohne Anstellwinkel (links) sind die Massenströme oberhalb und unterhalb des Profile gleich. Mit Anstellwinkel (rechts) strömt oberhalb mehr Masse über die obere Seite als über die untere Seite.

Q

Contour lines: Magnitude of velocityHöhenlinien: Betrag der Geschwindigkeit


19 (30)

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5X

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

z

cP1.00

0.50

0.00

-0.50

-1.00

NACA0012

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5X

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

z

cP1.00

0.50

0.00

-0.50

-1.00

NACA0012


Change in pressure causes lift – Änderung im Druck ergibt Auftrieb

a) Lift – (dynamischer) Auftrieb

Constant volume flow Q. The angle of incidence >0 (right) causes a higher massflow on the upper side, hence a higher velocity than on the lower side. The higher velocity causes a lower pressure (Bernoulli‘s equation!).Konstanter Volumenstrom Q. Der Anstellwinkel >0 (rechts) verursacht einen höheren Massenstrom auf der Oberseite, folglich auch eine höhere Geschwindigkeit. Die höhere Geschwindigkeit ergibt einen geringeren Druck (Bernoullische Gleichung!).

Q

Contour lines: Pressure distributionHöhenlinien: Druckverteilung

Lift - Auftrieb

Movie


20 (30)


Sources of Drag – Quellen des Widerstands

b) Drag – Widerstand Source 1: FrictionQuelle 1: Reibung

Air is a viscous fluid. The flow particles have the tendency to stick to the surface of the moving body. Passing the fluid the body continuously encounters new particles which will be accelerated. Luft ist ein zähes Medium. Die Partikel in der Strömung neigen dazu, auf der Oberfläche des bewegten Körpers zu haften. Bei der Bewegung durch das Medium trifft der Körper ständig auf neue Körper, die hierbei beschleunigt werden.


21 (30)

Vortices and lifting surfaces – Wirbel und tragende Flächen

Sources of Drag – Quellen des Widerstands

b) Drag – Widerstand Source 2: Tip vorticesQuelle 2: Die Randwirbel

The low pressure field on the upper side attracts the particles passing the tip region at the lower side. The particles start curling up and are moved downstream at the same time. The combination of the two effects results in a strong tip vortex at both sides of an aeroplane. The continuously accelerated particles coming in require energy which comes from the thrust of the engines. Die Region des Unterdrucks auf der Oberseite zieht die Partikel an, die im Bereich der Flügelspitze auf der Unterseite anströmen. Die Partikel rollen sich auf und werden zugleich stromabwärts bewegt. Beide Effekte ergeben zusammen einen starken Randwirbel auf beiden Seiten eines Flugzeugs. Die ständig neu einströmenden Partikel werden beschleunigt, wozu sie Energie verbrauchen. Diese Energie wird von den Triebwerke geliefert.

v(x ,y,z)0 y

zm/s

4.0

3.2

2.4

1.6

0.8

0.0 y

z

j(x ,y,z) [1/s]0

jf(x ,y) [m/s]0

Modellbildung

1/s250

150

50

-50

-150

-250Lifting surface S Wake vortex N

Modelling


22 (30)


PIV: Pinciple of measurement – Prinzip der Messung

The technique „Particle Image Velocimetry“ (PIV) reveals the last secrets of flying. The method has the capability to analyze a whole flow field.Animation und picture: Andreas Schröder – DLR GöttingenDie Technik der Messung der Geschwindigkeit aus zwei aufeinander folgenden Bildern (PIV) enttarnt die letzten Geheimnisse des Fliegens. Die Methode ist in der Lage, ein ganzes Strömungsfeld zu analysieren. Meinem Kollegen Andreas Schröder (DLR Göttingen) verdanke ich die Animation und das nachfolgende Bild.


23 (30)


The tip vortices – Die Randwirbel

The formation of the tip vortices. Die Ausbildung der Randwirbel.

Movie


24 (30)

The astonishing technical evolution of airplanes – Die erstaunliche technische Evolution der Flugzeuge

Excursion into nature’s patents – Exkurs zu den Patenten der Natur


25 (30)

The limits of learning from nature Die Grenzen des Lernens von der Natur

Excursion into nature’s patents – Exkurs zu den Patenten der Natur

-0.5 0 0.5 1 1.5x

-0.5

0

0.5

z

Ma1.40

1.20

1.00

0.80

0.60

NLR7301 - Ma = 0.75, s = 0o, * = 0.15 (c/2), o = 0.5o, ho/c = 0.04, = 90o

Region of supersonic flow on the wing of a modern transport aircraft (Ma >1). There is no analogous evolution in nature. The poster induced the wrong imagination of analogy!

Bereich des Überschalls auf dem Flügel eines moderen Verkehrsflugzeugs (Ma > 1). Es gibt keine vergleichbare Entwicklung in der Natur. Das Poster lenkte auf die falsche Vorstellung einer Analogie!

?


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Revealing nature’s secrets – Geheimnisse der Natur aufdecken

The dream of flying - Der Traum vom Fliegen

Quelle: Instituto e Museo di Storia della Scienza, Florenz

Leonardo da Vinci hat umfangreiche Studien zum Schwingenflug erstellt. Seine Entwürfe sind nachgebaut worden und funktionieren – im Prinzip. Unsere heutigen Kenntnisse von den Kräften Auftrieb und Widerstand bei der Umströmung von Tragflächen sind erst zu Anfang des 20. Jahrhunderts entstanden.

Leonardo da Vinci did thorough studies on flapping flight. His blueprints were built and they work – principally. Our present knowledge of lift and drag describing the flow around lifting surfaces was developed at the beginning of the 20th century.


27 (30)

Revealing nature’s secrets – Geheimnisse der Natur aufdecken

How the flying animals produce thrust Wie die fliegenden Tiere ihre Schubkraft erzeugen

+

Artificial birdKünstlicher Vogel

Balance of forcesGleichgewicht der Kräfte

Towing force (not required!) Schleppkraft (nicht erforderlich!)

Spring scaleKraftmesser

ESKALIBRI – The world‘s best ornithopter model Das derzeit beste Modell eines künstlichen Vogels.

MovieMovie


28 (30)


The End – Thank’s for coming and for your attention.Ende – Vielen Dank fürs Kommen und für Ihre

Aufmerksamkeit.

Courtesy of A. Schröder – DLR Göttingen

Documents

ISFV12, Public Lecture – W. Send, The Da Vinci Vortex 1 (30) The Da Vinci Vortex - Experimental Lecture - Wolfgang Send Institute of Aeroelasticity, German