THE KINEMATICS OF A FREE PITCHING FLEXIBLE CANTILEVER NACA 0012 WING AT TRANSITIONAL REYNOLDS NUMBERS

Abstract

Abstract: A series of experiments were performed on a flexible cantilever NACA 0012 wing to study the complex physics which occur in the transitional Reynolds number region of 7:9 x 10⁴ < REc < 1.7 x 10⁵. The wing is free to move in pitch, is flexible in bending and torsion, has 3D effects in the aerodynamics and the structures, and exhibits significant non-linearities. A steel beam is located inside in the wing. The beam provides the structural stiffness, and the wing outer shell provides the aerodynamic loading. The pitch stiffness is also provided via linear springs located at the root of the wing. The flexural centre and pitch axis are aligned with the quarter chord point. On the other hand, the sectional centre of mass is located aft of the pitch and flexural axes, giving rise to inertial coupling. This work builds on previous research performed with a free-rotating, rigid NACA 0012 wing. Data were collected using accelerometers, bending and torsion strain gauges and a potentiometer. The experiments yielded information on Limit Cycle Oscillation (LCO) amplitudes and frequencies, for two different types of beams. These LCO's were characterized by significant pitch motion, as well as flapwise bending motion. Two distinct branches of LCO's were found in the bifurcation diagrams: small amplitude oscillations (SAO) and large amplitude oscillations (LAO). Evidence of hysteresis was also found. The data were compared to previous results of the rigid wing quasi-2D configuration, and suggested that SAO is possibly due to laminar separation flutter (LSF). The LAO shows characteristics of both coupled flutter and stall flutter, and hence further study is required to elucidate its physical origin. The frequency data were also compared to Euler-Bernoulli uncoupled natural frequencies, and finite difference method (FDM) results for the first three modes of the system. In addition, the experimental results briefly provided further insight into the effects of plastic deformation, change in beam material, ambient conditions, and changes in the structural properties of the system via mass moment of inertia, dry friction and freeplay, on the LCO amplitudes and frequencies. Résumé: Une série d'expériences a été réalisée sur une aile NACA 0012 en porte-à-faux flexible pour étudier la physique complexe qui se produit dans la région du nombre de Reynolds transitionnel de 7,9 x 10⁴ < REc < 1,7 10⁵. L'aile est libre de se déplacer en tangage, est flexible en flexion et en torsion, a des effets 3D sur l'aérodynamique et les structures, et présente des non-linéarités importantes. Une poutre en acier est située à l'intérieur de l'aile. La poutre assure la libre structurelle et la coque extérieure de l'aile assure la charge aérodynamique. La rigidité de tangage est également assurée par des ressorts linéaires situés au pied de l'aile. Le centre de flexion et l'axe de tangage sont alignés avec le quart de corde. En revanche, le centre de masse en coupe est situé en arrière des axes de tangage et de flexion, donnant lieu à un couplage inertiel. Ce travail s'appuie sur des recherches antérieures effectuées avec une aile rigide NACA 0012 à rotation libre. Les données ont été recueillies à l'aide d'accéléromètres, de jauges de déformation de flexion et de torsion et d'un potentiomètre. Les expériences ont fourni des informations sur les amplitudes et fréquences d'oscillation à cycle limite (LCO), pour deux types différents de poutre. Ces LCO étaient caractérisés par un mouvement de tangage significatif, ainsi que par un mouvement de flexion par volet. Deux branches distinctes de LCO ont été trouvées dans les diagrammes de bifurcation: les oscillations de petite amplitude (SAO) et les oscillations de grande amplitude (LAO). Des signes d'hystérésis ont également été trouvés. Les données ont été comparées aux résultats précédents de la configuration quasi-2D de l'aile rigide, et ont suggéré que le SAO est probablement dû au flottement de séparation laminaire (LSF). Le LAO présente les caractéristiques du flottement couplé et du flottement de décrochage, et donc une étude plus approfondie est nécessaire pour élucider son origine physique. Les données de fréquence ont également été comparées aux fréquences propres découplées d'Euler-Bernoulli et aux résultats de la méthode des differences finies (FDM) pour les trois premiers modes du système. En outre, les résultats expérimentaux ont brièvement fourni des informations supplémentaires sur les effets de la déformation plastique, du changement de matériau de la poutre, des conditions ambiantes et des changements dans les propriétés structurelles du système via le moment d'inertie de masse, le frottement sec et le jeu libre, sur les amplitudes LCO et fréquences.