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2013-2014 Vibraciones y Aeroelasticidad Dpto. de Vehículos Aeroespaciales P. García-Fogeda Núñez & F. Arévalo Lozano ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID 08 Flutter Phenomenon PART 2 SECTION 2: CONTINUATION WITH THE FORMULATION OF THE UNSTEADY AERODYNAMIC FORCES + GENERAL FORMULATION + 2D “TYPICAL SECTION” IN INCOMPRESSIBLE FLOW REVIEW OF FLUTTER EQUATION WITH AERO FORCES IN THE FREQUENCY DOMAIN

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2013-2014

Vibraciones y Aeroelasticidad

Dpto. de Vehículos Aeroespaciales

P. García-Fogeda Núñez & F. Arévalo Lozano

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

08 – Flutter Phenomenon

PART 2 – SECTION 2:

• CONTINUATION WITH THE FORMULATION OF THE UNSTEADY

AERODYNAMIC FORCES

+ GENERAL FORMULATION

+ 2D “TYPICAL SECTION” IN INCOMPRESSIBLE FLOW

• REVIEW OF FLUTTER EQUATION WITH AERO FORCES IN THE

FREQUENCY DOMAIN

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INVISCID + IRROTATIONAL FLOW POTENTIAL FLOW

Ref.: Chapter 2 of “Fundamentals of Unsteady Aerodynamics” Ülgen Gülçat

Once viscous effects are neglected …

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COMPRESSIBLE FLOW DIFFERENTIAL EQUATION

1 2

1)

2)

Mass-conservation equation:

Equations of motion

w/o viscosity:

Assumption of Irrotational Flow

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LINEARIZATION : STEADY + UNSTEADY PROBLEMS

Small perturbation

method:

Thickness & Steady

problem (0)

+

Unsteady problem (1)

STEADY PROBLEM

UNSTEADY PROBLEM

COMPRESSIBLE FLOW

DIFFERENTIAL EQUATION

LINEARIZATION

(STEADY+UNSTEADY)

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COMPRESSIBLE FLOW BOUNDARY CONDITION

Condition of flow in permanent contact with the surface:

Equation of the airfoil surface:

Unsteady-flow condition

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COMPRESSIBLE FLOW FORMULATION OF THE PRESSURE COEFFICIENT

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1935: Theodore Theodorsen

(t)

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UNSTEADY INCOMPRESSIBLE FLOW DIFFERENTIAL EQUATION + BOUNDARY CONDITIONS

Boundary condition:

Far Field:

Kutta condition at trailing edge: (*) ATTACHED FLOW HYPOTHESIS VALID FOR SMALL MOTIONS

(*) WING IS A FLAT PLATE

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A 2D Vortex singularity “dx” is an elementary solution of 21=0 as the potential “d1” written

below that is induced by the 2D vortex satisfies the Laplace equation:

Vortices are distributed along the 2D section and the wake:

ELEMENTARY SOLUTIONS OF THE 2D LAPLACE EQUATION 2D VORTICES AT THE AIRFOIL AND THE WAKE

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OVERVIEW OF THE THEODORSEN’S APPROACH

Goldstein

(*) FLAT WAKE IS

IMPLICITLY ASSUMED

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Cp1 AS FUNCTION OF THE RUNNING CIRCULATION a

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Note: are Hankel functions of the second kind that are expressed in terms of Bessel

functions of the first and second type as

for the boundary condition

Cp1 AS FUNCTION OF THE AIRFOIL MOTION

kH )2(n

kYikJkH nn)2(

n

kGikFkC

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GENERALIZED FORCES AS INTEGRAL OF Cp1

Boundary condition (vertical speed):

Vertical displacement (to obtain ):

Substituting in the equation for of previous slide:

The integration of leads to the generalized forces:

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CALCULATION OF GENERALIZED FORCES TYPICAL SECTION WITH UPDATED NOMENCLATURE

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3 DOFs “TYPICAL SECTION”: h(t), (t), and (t)

NONCIRCULATORY TERMS = “APPARENT-MASS”

CIRCULATORY TERMS

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T1 to T14: GEOMETRICAL CHARACTERISTICS OF SECTION

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QUASI-STEADY FORMULATION

Motion at low reduced frequency, i.e., k1.

Fung (1983) approach:

► Unsteadiness is retained exclusively in the boundary condition over the section.

► Approach valid for incompressible or subsonic flow.

The vortices distribution is written as:

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QUASI-STEADY FORMULATION

Vertical motion (plunging or heaving):

Rotation/Torsion

Control surface rotation

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“Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio”

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID