An innovative morphing system is investigated in the present thesis featuring a form-variable wing concept based on a membrane-type lifting surface. This thesis focuses on a wing made of an elasto-flexible membrane material sewn on two rigid spars, the leading- and the trailing edge. The membrane material has the capacity to deform according to its elasto-mechanical properties. The concept changes its geometry under different flow conditions. Therefore, the aerodynamics of such a wing is not fixed but varies with the incoming flow. The main objective of the present thesis is to thoroughly study the concept by means of numerical fluid-structure interaction investigations and conclude about the benefits gained. The fluid-structure computations are developed for several geometries, namely on airfoils and wings. For each geometry, an experimental model is constructed to perform wind tunnel investigations. Aerodynamic forces, flow field velocities and membrane deformation are measured to evaluate the accuracy of the computations. As the fidelity of the computations are well estimated, further investigations are completed to increase the knowledge on elasto-flexible membrane wing concepts. The influence of different parameters such as the dynamic pressure, the angle of attack, turbulence characteristics or unsteady flow conditions are considered. Within this thesis, the advantages of an elasto-flexible membrane concept are highlighted by comparing the aerodynamics of the variable geometry to its rigid counterpart. The flexibility of the material and its adaptivity to the free stream allow the membrane to adjust its shape to the pressure distribution. The aerodynamics of the wing shows a pronounced dependency on the angle of attack, the dynamic pressure and the unsteady flow conditions. The camber is accentuated in a positive or negative direction resulting in an increase or decrease of the lifting capacity. The stall onset is postponed to higher angles of attack while the abrupt decrease of the lift is replaced by a gradual loss of it. Non-linear effects are observed due to the non-linear adaptation of the membrane. The laminar-turbulent transition in the boundary layer affects the fluid-structure interaction as well. In this case, the presence of a laminar separation bubble is observed and found to be sensitive to the suction peak at the leading edge. Finally, when the wing experiences a gust, the membrane permits to mitigate the lift at high angles of attack, which shows a great potential for an alleviation of aerodynamic peak loads.     «

An innovative morphing system is investigated in the present thesis featuring a form-variable wing concept based on a membrane-type lifting surface. This thesis focuses on a wing made of an elasto-flexible membrane material sewn on two rigid spars, the leading- and the trailing edge. The membrane material has the capacity to deform according to its elasto-mechanical properties. The concept changes its geometry under different flow conditions. Therefore, the aerodynamics of such a wing is not fix...     »

Die vorliegende Arbeit behandelt eine formvariable Flügelkonfiguration mit einer elastischen Membran, die um die Vorder- und Hinterkante des Flügels gespannt ist. Die Profilgeometrie verformt sich somit entsprechend der unterschiedlichen Strömungsbedingungen. Ziel der Arbeit ist es, den Flugbereich durch passiv geregelte Strömungskontrolle zu erweitern und Spitzenlasten auf die Struktur zu verringern. Die Auftriebserzeugung und Strukturlasten sind stark abhängig von der Kopplung zwischen den aerodynamischen und strukturellen Eigenschaften des Flügels, welche wiederum von den Anströmbedingungen und den mechanischen Eigenschaften der Membran abhängen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Implementierung von gekoppelten Fluid-Struktur-Simulationen, um das formvariable Membrankonzept detailliert zu analysieren. Die Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und der Struktur werden im Rahmen dieser Arbeit für verschiedene Konfigurationen, sowohl zweidimensionale Profile, als auch dreidimensionale Flügel simuliert, um allgemeingültige Aussagen über das Konzept von Membranflügeln zu treffen. Zur Validierung der numerischen Studien, werden die Simulationen zunächst mit experimentellen Untersuchungen verglichen. Nachfolgend wird der Einfluss verschiedener Parameter analysiert. In einem weiteren Schritt werden die aerodynamische Eigenschaften des Membranflügels mit denen eines starren Modells mit gleicher Ausgangsgeometrie verglichen, um die Effekte der Formvariabilität des flexiblen Membranflügels eindeutig zu charakterisieren. Im Gegensatz zum starren Modell verursacht die Oberflächendruckverteilung auf die Membran eine Modifikation der Profilgeometrie und somit auch eine Veänderung der Krümmung. Resultierend verschiebt sich das Eintreten von Strömungsablösung zu höheren Anstellwinkeln und der Auftriebsverlust erfolgt gradueller im Vergleich zu einer starren Geometrie. Nicht-lineare Effekte in den Polaren werden aufgrund des nicht-linearen Verhaltens der Membran beobachtet. Eine Transition von einer laminaren zu einer turbulenter Strömung ist für die analysierten Fälle beobachtbar, welche wiederum die Fluid-Struktur-Wechselwirkungen beeinflusst. Es entsteht eine laminare Ablöseblase, die hoch-sensibel auf die Strömungsbedingungen, unter anderem die Saugspitze an der Vorderkante, reagiert. Letztendlich zeigt die Analyse einer Böeneinwirkung auf die Tragfläche eine Abminderung des Auftriebsanstiegs bei Verwendung von formvariablen Membranstrukturen im Vergleich zu starren Tragflügel. Die Lastminderung und eine verhältnismäßig einfache Anwendung einer passiven Steuermöglichkeit zeichnen das hohe Potential des Konzepts eines formvariablen Membranflügels aus.      «

Die vorliegende Arbeit behandelt eine formvariable Flügelkonfiguration mit einer elastischen Membran, die um die Vorder- und Hinterkante des Flügels gespannt ist. Die Profilgeometrie verformt sich somit entsprechend der unterschiedlichen Strömungsbedingungen. Ziel der Arbeit ist es, den Flugbereich durch passiv geregelte Strömungskontrolle zu erweitern und Spitzenlasten auf die Struktur zu verringern. Die Auftriebserzeugung und Strukturlasten sind stark abhängig von der Kopplung zwischen den aer...     »