An experimental study of flapping flight through imposed motion on a symmetric airfoil

Four separate airfoil motions were investigated using surface pressure measurements, incorporating four imposed geometric or kinematic modifications. (1) A stationary NACA 0015 airfoil equipped with a full-span 25% chord plain trailing-edge flap (TEF), incorporating Gurney flaps (GF) of different flap heights and perforations, was investigated. (2) The impact of a dynamically deflected TEF, in conjunction with a Gurney flap, on a NACA 0015 airfoil subjected to a constant ramping or pitch-up motion was also examined. (3) The effects of a harmonically deflected trailing-edge flap, actuated at different start times and deflection amplitudes, on an oscillating NACA 0015 airfoil were investigated. (4) Finally, a NACA 0012 heaving airfoil with a super-imposed oscillation motion was studied. The surface pressure measurements were supplemented with particle-image velocimetry, hot-wire measurements, and smoke-flow visualizations. For the stationary airfoil, the combined GF and TEF led to a significant increase in the lift, drag, and pitching moment coefficient compared to that produced by independently deployed TEF or GF. The maximum effectiveness occurred with the smallest flap height. For the ramping airfoil, an earlier TEF actuation and shorter duration resulted in a larger maximum lift. The addition of a Gurney flap to the dynamic TEF led to a further increase in the maximum lift. For the oscillating airfoil, the observed change in the critical aerodynamic values were mainly produced by the drastic change in the pressure developed on both lower and upper surfaces of the flap. The formation and detachment of the leading-edge vortex were found to remain largely unaffected by the flap deflection, regardless of the flap actuation start time. The later the flap actuation the larger the change in the intensity of the leading-edge vortex. For the heaving airfoil, the aerodynamics were virtually unchanged over an entire combined motion cycle for the out-of-phase oscillation motion. The in-phase case persistently produced the best lift performance while suffering from a large nose-down pitching moment. The phase shift between the two motions was the key parameter to control the aerodynamic load generation.Quatre mouvements de profil aéronautique ont été étudiées en utilisant des mesures de pression de surface, avec quatre modifications imposées de géométrie ou de cinématique. (1) Un profil NACA 0015 stationaire équipé d'un volet de bord de fuite (VBF) de 25% corde, incorporant des volets Gurney (VG) de différents hauteurs et perforations, a été étudié. (2) L'impact d'un VBF dévié dynamiquement, en conjonction avec un volet Gurney, sur un profil NACA 0015 soumis à un mouvement ramper a également été étudié. (3) Les effets d'un volet de bord de fuite dévié harmoniquement, actionné à différents moments et avec différentes amplitudes de déviation, sur un profil NACA 0015 oscillant ont été étudiés. (4) Finalement, un profil NACA 0012 avec une mouvement de translation, superposée par un mouvement oscillant, a été étudiée. Les mesures de pression de surface ont été supplémentées par des mesures de vélocimétrie d'image de particule, d'anémométrie à fil chaud, et de visualisations de fumée. Pour le profil stationaire, le VG et VBF combinés ont conduits à une augmentation significative de la portance, la traînée, et le moment de tangage par rapport à celle produite par VBF ou VG déployé indépendamment. L'efficacité maximale est produite avec le VG de plus petit hauteur. Pour le profil ramper, un actionnement plus tôt du VBF et une durée plus courte a entraîné à une plus grande portance maximale. L'ajout d'un volet Gurney au VBF dynamique a resulté à une augmentation supplémentaire de la portance maximale. Pour le profil oscillant, les changements observés dans les valeurs critiques aérodynamiques ont été produits principalement par la modification de la pression développée sur les surfaces inférieure et supérieure du volet. La formation et le détachement du tourbillon de bord d'attaque ont restés largement inaffectés par le fléchissement du VBF, quel que soit le temps d'actuation du volet. L'intensité du tourbillon de bord d'attaque a été plus grand pour les actionnements plus tardifs. Pour le profil translaté, les forces aérodynamiques sont demeurées pratiquement inchangées sur l'ensemble d'un cycle pour le mouvement d'oscillation hors-phase. L'oscillation en-phase a constamment produit les meilleures performances de levage tout en souffrant d'un plus grand moment de tangage. Le déphasage entre les deux mouvements était le paramètre clé pour contrôler la génération des forces aérodynamiques