Messung der aerodynamischen Kraft und des aerodynamischen Moments, die auf einen Speer wirken, mithilfe eines magnetischen Aufhängungs- und Gleichgewichtssystems

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 391 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Regeln für die Abmessungen des Javelin wurden 1986 grundlegend geändert. Man ging davon aus, dass dieses neue Design garantierte, dass es bei einem Anstellwinkel von 0° kein Nickmoment gab und dass das Nickmoment mit zunehmendem Anstellwinkel abnahm (negativ wurde). Ziel dieser Studie ist es zu untersuchen, ob das Nickmoment immer negativ bleibt (Nose-Down-Rotation). Um die auf einen Javelin wirkenden aerodynamischen Kräfte genau zu messen, wurde das weltweit größte 1-m-Magnetaufhängungs- und Gleichgewichtssystem verwendet. Das magnetische Aufhängungs- und Gleichgewichtssystem war in der Lage, aerodynamische Kräfte ohne Stützeingriffe im Windkanal zu messen. Darüber hinaus wurden numerische Strömungssimulationen durchgeführt, um die Nickmomentkoeffizienten abzuschätzen. Es wurde festgestellt, dass der Pitching-Moment-Koeffizient eines handelsüblichen Javelins bei geringeren Anstellwinkeln von weniger als 12° positiv wird (Nase-oben-Rotation). Das Nickmoment wird positiv, wenn die stromaufwärtige Seite des Schwerpunkts mehr Zufluss erhält als die stromabwärtige Seite. Diese Situation kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dicke der stromaufwärtigen Seite im Vergleich zu der der stromabwärtigen Seite erhöht wird.

Ein herkömmlicher Windkanaltest für einen Speer würde durchgeführt, indem der Speer an einer Stützstange befestigt wird1,2. Allerdings stört die Stützstange die Strömung, was als Stützstörung bezeichnet wird. Beispielsweise wurde beobachtet, dass sich die Trennlinie auf dem Ellipsoid drastisch nach hinten verschiebt3, wenn ein dünner Stab mit einem Durchmesser von 0,5 mm verwendet wird. Generell sind bei Sportgeräten die Größen vergleichbar mit Händen oder Füßen. Insbesondere bei einem langen und schmalen Objekt wie dem Speer wird die Stützbeeinträchtigung erheblich, da der Durchmesser der Stützstange mit dem des Speeres vergleichbar ist, was es schwierig macht, die aerodynamischen Kräfte genau zu messen4.

Ein magnetisches Aufhängungs- und Gleichgewichtssystem (MSBS) ist ein wertvolles Werkzeug zur Messung aerodynamischer Kräfte ohne Unterstützungsbeeinträchtigung. Das erste MSBS wurde in den 1950er Jahren in ONERA entwickelt5. Die weitere Forschung und Entwicklung dieses MSBS wurde jedoch seit den 1970er Jahren eingestellt. Dies lag daran, dass keine Aussicht auf eine Kommerzialisierung von MSBS6 bestand. Heutzutage wurde die Forschung und Entwicklung von MSBS in ODU7, KAIST8 und der Tohoku-Universität9 aufgrund der verbesserten Messausrüstung und verbesserten Computersteuerung sowie der Entwicklung leistungsstarker Neodym-Magnete wieder aufgenommen. Allerdings gibt es weltweit immer noch relativ wenige MSBS.

Aus aerodynamischer Sicht wurden die Regeln für die Abmessungen des Speerwurfs im Jahr 1986 grundlegend geändert. Der Hauptgrund für die Änderung war, dass der Speerwurf bei vielen Würfen fast flach landete, was es für die Kampfrichter schwierig machte, festzustellen, ob der Wurf richtig war gültig oder nicht10. Es wurde davon ausgegangen, dass das neue Design gewährleistete, dass das Pitching-Moment-Profil des Javelin mit zunehmendem Anstellwinkel monoton abnahm, ohne jemals einen positiven Wert zu erreichen.

Das Ziel dieser Studie besteht darin, sicherzustellen, dass das Nickmoment im Verhältnis zum Anstellwinkel immer negativ ist (Rotation nach unten). Es werden die aerodynamischen Kräfte beschrieben, die ohne Stützstange auf den Javelin wirken. Das weltweit größte magnetische Aufhängungs- und Gleichgewichtssystem (MSBS) wurde eingesetzt, um die aerodynamischen Kräfte zu messen, die auf einen Speerwurf für Frauen in Originalgröße wirken. Daher sollten die in diesem Dokument dargestellten aerodynamischen Koeffizienten am genauesten sein. Darüber hinaus wurde eine parametrische Studie mittels CFD (Computational Fluid Dynamics) durchgeführt, um zu prüfen, ob das Nickmoment immer negativ ist.

Das magnetische Aufhängungs- und Gleichgewichtssystem (MSBS) ist in Abb. 1 dargestellt. Ein Speer, der Magnete entlang der Längsachse enthält, wird in der Mitte des Testabschnitts schwebend gehalten. Wenn der Wind strömt, wirken aerodynamische Kräfte auf den Javelin und das Steuerungsprinzip ist darauf ausgelegt, den Javelin in der Mitte des Testabschnitts (Ausgangsposition) zu halten. Um die gleiche Position und die gleiche Fluglage des Javelin beizubehalten, werden zehn Spulen um den Testabschnitt herum platziert. Beispielsweise gleichen die beiden ringförmigen Luftspulen (Nr. 0 und Nr. 9) in Strömungsrichtung den Luftwiderstand aus. Die anderen acht Spulen sind Eisenkernspulen, die effizient ein Magnetfeld erzeugen, indem sie die Spulen Nr. 1 bis Nr. 4 und Nr. 5 bis Nr. 8 mit dem Joch verbinden, um einen Magnetkreis zu bilden11. An jeder Spule ist ein Leistungsverstärker angebracht, der jeweils einen Strom von bis zu 150 A weiterleiten kann. Der Strom der Spulen wird so angepasst, dass die gleiche Position und Lage erhalten bleibt. Die Antriebsstromunterschiede zwischen Wind-Ein-Zustand und Wind-Aus-Zustand werden in aerodynamische Kräfte umgewandelt. Bei einem vibrierenden Speer umfassen die gemessenen Strömungen im Wind-An-Zustand sowohl Komponenten der aerodynamischen Kräfte als auch der Trägheitskräfte. Andererseits berücksichtigen die gemessenen Ströme im Abwickelzustand des vibrierenden Speeres nur Trägheitskräfte. Daher können die Stromunterschiede zwischen dem Wind-Ein-Zustand und dem Wind-Aus-Zustand in aerodynamische Kräfte und Momente umgewandelt werden.

Ein Schema des magnetischen Aufhängungs- und Gleichgewichtssystems.

Für die Windkanaltests wurde ein kommerziell erhältlicher Damenspeer in Originalgröße (Hybrid Genome X, Nishi) eingesetzt12. Die Länge des Speeres betrug 2210 mm und der Schwerpunkt lag 920 mm von der Spitze entfernt. Der größte Teil der Oberfläche des Javelins wurde weiß gesprüht, wie in Abb. 2a gezeigt, um die Positionsbestimmung zu erleichtern. Aus dem gleichen Grund wurde im Schwerpunkt ein 15 mm langer Kragen angebracht und im Schwerpunkt ein 5 mm breites schwarzes Klebeband um den Speer gewickelt. Entlang der Längsachse wurden Neodym-Magnete eingesetzt, wie in Abb. 2b dargestellt. Es wurden zwei Magnettypen mit Durchmessern von 19 mm und 20 mm verwendet, und die Gesamtlänge der Magnetanordnung betrug 495 mm. Griffschnüre wurden sowohl auf der stromaufwärtigen als auch auf der stromabwärtigen Seite des Kragens um den Speer gewickelt, wie in Abb. 2c dargestellt. Der Durchmesser der Saiten beträgt 4 mm und ist genauso breit wie die Höhe des 15 mm langen Kragens.

Im Handel erhältlicher Damenspeer: (a) Der Speer wurde weiß gesprüht und im Schwerpunkt wurde ein 15 mm langer Kragen am Speer befestigt; (b) Entlang der Längsachse wurden Neodym-Magnete eingesetzt. (c) Ein 15 mm langer Kragen und eine Griffschnur.

Ein Schema des optischen Positionserfassungssystems ist in Abb. 3a dargestellt. Das Koordinatensystem wird ebenfalls angezeigt. Der Ursprung lag im Schwerpunkt des Speers, mit der positiven x-Achse in horizontaler Aufwärtsrichtung, die y-Achse war ebenfalls horizontal und orthogonal zur x-Achse. Die positive Z-Achse zeigte vertikal nach oben. Das optische Positionserfassungssystem besteht aus einer konvexen Linse (Brennweite 125 mm), dichroitischen Farbfiltern (rot und blau), einem Halbspiegel, roten und blauen LED-Leuchten (MSPP-CB74, Moritex) und Positionssensoren CCD-Zeilenkamera (Charge-Coupled Device) (TL7450S, Takenaka-Systemausrüstung). Die CCD-Zeilensensorkamera besteht aus 7450 CCDs in einer Reihe. Die Größe des CCD-Elements beträgt 4,7 μm mal 4,7 μm und die Pixelauflösung beträgt weniger als 10 μm. Die Abtastfrequenz beträgt 1250 Hz.

Das Positionserfassungssystem: (a) Schematische Darstellung des Positionserfassungssystems; (b) Ein Beispiel für die Kalibrierungsergebnisse des Positionssensors auf der x-Achse.

Die tatsächliche Position und Fluglage wurden durch die fünf Komponentenstufen (ALS-904H1P, ALV-104HP, ATS-130HP und ARS-936HP, Central Motor Wheel) definiert. Die Positionssensoren wurden mit der definierten Position und Lage kalibriert. Ein Beispiel für die Kalibrierungsergebnisse auf der x-Achse ist in Abb. 3b dargestellt. In diesem Fall wurden die Fünf-Komponenten-Tische nur in der x-Achse bewegt. Der Ausgabewert des Positionssensors auf der x-Achse variiert linear in Bezug auf die tatsächliche Positionsänderung auf der x-Achse. Da sich die Fünf-Komponenten-Stufen nur auf der x-Achse bewegten, änderte sich der Ausgangszählwert auf der y-Achse nicht (unempfindlich auf der y-Achse). Andere Achsen wurden auf die gleiche Weise kalibriert.

Der erste Versuch, den Javelin schweben zu lassen, scheiterte. Die zeitlichen Variationen in y-Richtung sind in Abb. 4a dargestellt. Der Speer war instabil und wich bereits nach 0,25 s12 von seiner Ausgangsposition ab. Die beobachteten Frequenzkomponenten waren 22 Hz und 55 Hz. Die Frequenz von 22 Hz entsprach der Hauptresonanzfrequenz des Speeres13,14 und war der Hauptgrund dafür, dass wir ihn nicht kontrollieren konnten. Daher wurde ein Kerbfilter (Bandsperrfilter) eingesetzt, um die Resonanzfrequenz auszublenden. Wie in Abb. 4b zu sehen ist, stabilisierte der Kerbfilter den Javelin und ermöglichte es uns, den Javelin im MSBS schweben zu lassen.

Zeitliche Variationen des Schwerpunkts des Speers in y-Richtung: (a) ohne Kerbfilter; (b) mit dem Kerbfilter; (c) mit einem schwachen Kerbfilter.

Grundsätzlich sollte der Speer im MSBS immer an der gleichen Position und der gleichen Fluglage stabilisiert werden. Das Vorhandensein der Resonanz ermöglichte es uns jedoch, im MSBS ein Schwingungsmodell mit der Resonanzfrequenz des Javelin zu realisieren. Abbildung 4c zeigt die zeitliche Variation der y-Richtung mit einem schwachen Kerbfilter, dh einem Filter mit verringerter Intensität. Durch Verringern der Intensität des Kerbfilters wurden Vibrationen des Javelin, wie sie im echten Flug beobachtet wurden, realisiert. Die Frequenz der Vibration betrug wie zuvor 22 Hz, der Javelin blieb jedoch unter Kontrolle. Abbildung 5 zeigt den schwebenden Speer in der Teststrecke im Windkanal. Es wurde rund um den Schwerpunkt hell beleuchtet, um die Position zu ermitteln. Der AoA beträgt 18°, was den größten Wert darstellt, den wir im weltweit größten MSBS nutzen können. Dies liegt daran, dass sich das Speerende der Wand des Testabschnitts nähert, aber immer noch außerhalb der Grenzschicht der Wand bei 18° liegt und die LED-Beleuchtung zur Positionserkennung den Speer nicht bei mehr als 18° beleuchten kann . Die AoA wurde in der horizontalen Ebene (auf der vertikalen Z-Achse) geändert. Diese Definition von AoA ermöglichte es uns, den Strom im Vergleich zur Änderung von AoA in der vertikalen Ebene zu verringern.

Speerwurf bei 18° im magnetischen Aufhängungs- und Balancesystem.

Der Strom in jeder Spule wird durch einen Proportional-Integral-Regler (PI) und einen Doppelphasenversteller15 gesteuert, wie in Abb. 6 dargestellt. Der PI-Regler reduziert die Abweichung zwischen der erfassten Position und der Sollposition, während der Doppelphasenversteller dies tut Wird verwendet, um die Zeitverzögerung des Signals vom Positionssensor zu kompensieren, das durch die beiden Filter geleitet wird. Um die Konstanten des Proportional-Integral-Reglers und des Doppelphasenverstellers bestimmen zu können, wird ein Rechtecksignal (Schrittwellenform) in das Spulensystem eingegeben und die Konstanten anhand der Nähe der Ergebnisse zu denen aus a ausgewertet Modell davon.

Blockschaltbild des Steuerungssystems.

Um die Kräfte und das Moment mit dem Strom in Beziehung zu setzen, wurden mehrere Gewichte als Kalibrierreferenzen verwendet. Abb. 7a und b zeigen beispielsweise die Kraftkalibrierung in x-Richtung. Abbildung 7a ist eine schematische Darstellung, während Abbildung 7b ein Bild von der stromabwärtigen Seite zeigt. Zwei Tassen und zwei leichte Schnüre wurden verwendet, um Gewichte über eine Vorrichtung und Riemenscheiben nur in x-Richtung anzubringen. Die Gewichte Fx wurden auf den schwebenden Speer aufgebracht. Die Kraft in der y-Achse wurde auf die gleiche Weise kalibriert. Das Moment auf der Z-Achse wurde ebenfalls kalibriert, wie in Abb. 7c und d dargestellt. Knapp unter dem Schwerpunkt wurde eine Scheibe mit 50 mm Durchmesser angebracht und über Umlenkrollen mit zwei Gewichten beaufschlagt. An jeder Seite der Scheibe war über Schnüre ein Gewicht befestigt, das Kräfte auf die stromaufwärtige (+x-Richtung) und stromabwärtige (−x-Richtung) Seite ausübte. Aus Abb. 7d ist ersichtlich, dass eine Schnur an einer Seite der Scheibe befestigt ist und durch das Gewicht über eine Rolle stromabwärts gezogen wird, und dass die andere Schnur an der anderen Seite der Scheibe befestigt ist und stromaufwärts gezogen wird das Gewicht über einen Flaschenzug. Auf diese Weise wurde ein Moment, Nz, auf den schwebenden Speer ausgeübt.

Kraft- und Momentkalibrierung: (a) Schematische Darstellung der Kraftkalibrierung in x-Richtung; (b) Bild der Kraftkalibrierung in x-Richtung von der stromabwärtigen Seite; (c) Schematische Darstellung der Momentkalibrierung in z-Richtung; (d) Bild der Momentkalibrierung auf der z-Achse mit einem AoA von 16° von der Abstromseite.

Die Kalibrierungsergebnisse von Fx und Nz sind in Abb. 8a bzw. b dargestellt. Die Absolutwerte der angelegten Ströme steigen linear mit zunehmendem Fx und Nz. Auf Basis dieser linearen Zusammenhänge lassen sich die Kräfte und das Moment berechnen, die im aufgezogenen Zustand auf den Speer wirken.

Kalibrierungsergebnisse: (a) Fx; (b) Neuseeland.

Für unsere Arbeit wurde die Windkanalanlage mit geringer Turbulenz am Institut für Strömungswissenschaften der Universität Tohoku genutzt16. Da der Abstand zwischen gegenüberliegenden Seiten der sechseckigen Trichtermündung 1,01 m beträgt, war es möglich, einen Damenspeer in Originalgröße in einem weiten Anstellwinkelbereich (AoA) von bis zu 18° einzusetzen. Die Turbulenzwerte im Windkanal gehören zu den niedrigsten (weniger als 0,02 % bei 25 m/s) der Welt. Darüber hinaus liegt die Gleichmäßigkeit seiner Geschwindigkeitsprofile innerhalb von ± 0,02 % in Bezug auf die Durchschnittsgeschwindigkeit, was die Durchführung sehr hochwertiger Aerodynamikforschung ermöglicht. Aufgrund der Verwendung des MSBS ohne unterstützende Interferenzen und der Verwendung eines so großen Windkanals mit geringer Turbulenz ist zu erwarten, dass die in diesem Artikel vorgestellten experimentellen Ergebnisse sehr genau sind.

Die Simulation wurde mit ANSYS 2021 R1, Design Modeler, Meshing und Fluent durchgeführt. Ein im Handel erhältlicher Damenspeer in Originalgröße (Hybrid Genome X, Nishi) wurde mit dem Design Modeler gezeichnet. Die Länge beträgt 2,21 m, während der maximale Durchmesser 0,0247 m beträgt. Die Abmessungen des Rechenbereichs (Umschließung) betragen jeweils 600 m × 600 m × 10 m in vertikaler und lateraler Richtung.

Für den Rechenbereich wurde Meshing verwendet. Die Zusammenfassung ist in Tabelle 1 dargestellt. Zur Erstellung einer Inflationsnetzstruktur wurde eine Option zum Aufblasen der Dicke der ersten Schicht übernommen. Die maximale Schiefe beträgt etwa 0,89. Abbildung 9 zeigt Maschen um den Speer (Abb. 9a) und die Spitze des Speers (Abb. 9b). Fluent wurde verwendet, um die 3D-Reynolds-Average-Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) und die Kontinuitätsgleichung unter Verwendung der Finite-Volumen-Methode zu lösen. Eine Zusammenfassung ist auch in Tabelle 1 dargestellt. Für die Turbulenzmodellierung wird ein Standard-k-ε-Modell mit Standardwandfunktionen verwendet.

Maschen: (a) um den Speer; (b) um die Spitze des Speers herum.

Die zeitlich gemittelten aerodynamischen Koeffizienten CD, CL und Cm des statischen und des dynamischen Speerwurfs sind als Funktion des Anstellwinkels AoA in Abb. 10 dargestellt. Der AoA des dynamischen Speerwurfs ist auch der zeitlich gemittelte Wert definiert auf jeweils 150 mm auf der Anström- und Abströmseite des Schwerpunkts. Die 95 %-Konfidenzintervalle werden auch als Fehlerbalken angezeigt. CD und CL werden durch die Gleichungen definiert. (1) und (2), während Cm durch Gl. definiert ist. (3).

Aerodynamische Koeffizienten als Funktion des Anstellwinkels AoA. Die statischen Daten werden durch offene Kreise dargestellt, während die dynamischen (Vibrations-)Daten durch offene Dreiecke dargestellt werden. Die 95 %-Konfidenzintervalle werden auch als Fehlerbalken angezeigt: (a) Luftwiderstandsbeiwert, CD; (b) Luftwiderstandsbeiwert, CL; (c) Nickmomentkoeffizient, Cm.

Dabei ist ρ die Luftdichte, U die Windgeschwindigkeit, A die Querschnittsfläche beim maximalen Durchmesser (0,0247 mm), l die Länge des Speeres (2,21 m).

CD und CL nehmen in beiden Fällen mit zunehmender AoA im Bereich zwischen 0 und 18° zu. Die Fehlerbalken sind klein, d. h. die gemessenen Daten sind sehr gut wiederholbar. Der Cm wird bis zu 10° positiv. Der Cm steigt in beiden Fällen bis zu 8° und nimmt dann oberhalb dieses Winkels ab. Die Fehlerbalken sind bei niedrigerem AoA kleiner. Oberhalb von 12° wird der Wert negativ und der Absolutwert steigt mit zunehmender AoA. Wenn es negativ wird, wird der Fehlerbalken größer und das Datum weniger wiederholbar. Die statische Längsstabilität im Zusammenhang mit dem Nickmoment liegt bei etwa 12°. CL und Cm sind bei 0° nahezu 0. Die aerodynamischen Koeffizienten des dynamischen Speerwurfs sind nahezu vergleichbar mit denen des statischen Speerwurfs.

Abbildung 11 zeigt die aerodynamischen Koeffizienten CD, CL und Cm eines vibrierenden Speeres für eine Sekunde. Obwohl die zeitlich gemittelte AoA 0° beträgt, schwingt sie um 0° mit einer Amplitude von 0,16°. Auch die aerodynamischen Koeffizienten schwanken um die zeitlich gemittelten Werte, die mit den Werten des dynamischen Falles in Abb. 10 übereinstimmen. Allerdings sind die Amplituden der aerodynamischen Koeffizienten sehr klein, das heißt, sie sind nahezu konstant, selbst wenn AoA zunimmt bzw nimmt ab.

Aerodynamische Koeffizienten eines vibrierenden Speeres bei einer zeitlich gemittelten AoA von 0° für eine Sekunde: (a) Luftwiderstandsbeiwert, CD; (b) Auftriebskoeffizient, CL; (c) Nickmomentkoeffizient, Cm.

Die auf den statischen Speer wirkenden aerodynamischen Koeffizienten sind in Abb. 12 dargestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Fluiddynamik (EFD (statischer Fall)) werden vom MSBS gemessen, während die Ergebnisse der rechnergestützten Fluiddynamik (CFD) von Ansys Fluent berechnet werden. Die EFD-Ergebnisse in Abb. 10 sind noch einmal dargestellt. Die durch CFD erhaltenen CD-Daten stimmen quantitativ mit denen von EFD überein, während die durch CFD erhaltenen CL- und Cm-Daten qualitativ mit denen von EFD übereinstimmen. Daher kann die CFD die aerodynamischen Koeffizienten am Speer effektiv simulieren.

EFD-Ergebnisse (Experimental Fluid Dynamics) von MSBS werden durch offene Kreise dargestellt, während die CFD-Ergebnisse durch die durchgezogene Linie als Funktion des Anstellwinkels AoA dargestellt werden. Die 95 %-Konfidenzintervalle werden auch als Fehlerbalken angezeigt: (a) Luftwiderstandsbeiwert, CD; (b) Luftwiderstandsbeiwert, CL; (c) Nickmomentkoeffizient, Cm.

Die Cm des statischen Speeres, die durch CFD für drei Fälle ermittelt wurden, sind in Abb. 13 dargestellt. Der Unterschied zwischen diesen drei Fällen ist die Dicke der Oberseite des Speers. Die Dicke wurde im Rahmen der Regeln für die Abmessungen des Speers geändert. Es wurde festgestellt, dass der moderne Speer bei niedrigerer AoA immer noch positive Cm-Werte aufweist. Im Fall der dünneren Oberseite nahm das Nickmomentprofil mit zunehmender AoA monoton ab, ohne jemals einen positiven Wert zu erreichen, wie in Referenz 10 beschrieben.

Der durch CFD ermittelte Nickmomentkoeffizient Cm für die drei Fälle.

Es wurde festgestellt, dass der moderne Javelin bei niedrigerer AoA positive Werte für Cm (Nase nach oben) aufweist, wie in Abb. 10c und Abb. 13 zu sehen ist. Die Überlegung, ob das Nickmoment positiv ist oder nicht, hängt von der Kraftdifferenz zwischen den stromaufwärts gerichteten Kräften ab Seite und der stromabwärtigen Seite des Schwerpunkts. Wenn bei einer bestimmten AoA die auf der Anströmseite wirkende Kraft größer ist als die auf der Abströmseite, wirkt auf den Javelin ein positives Nickmoment um den Schwerpunkt. Da der Schwerpunkt des Javelin auf der stromaufwärts gelegenen Seite des geometrischen Zentrums liegt, ist das Nickmoment im Prinzip tendenziell negativ. Allerdings wird das Nickmoment positiv, wenn die stromaufwärtige Seite des Schwerpunkts stärker angeströmt wird als die stromabwärtige Seite. Diese Situation kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dicke auf der stromaufwärtigen Seite im Vergleich zu der auf der stromabwärtigen Seite erhöht wird, wie in Abb. 13 dargestellt. Der Schlüssel zum Erreichen größerer Flugentfernungen für ballistische Bewegungen liegt in der Verringerung des Luftwiderstands auf der ersten Seite Hälfte und um den Auftrieb in der zweiten Hälfte des Fluges zu erhöhen17,18. Diese werden mit einem Nickmomentprofil wie in Abb. 10c erreicht.

Es wurde berichtet, dass die Vibrationen des Speeres sowohl den Auftrieb als auch den Widerstand erhöhen13. Wir beobachten, dass die aerodynamischen Koeffizienten des dynamischen (vibrierenden) Speerwurfs nahezu mit denen des statischen Speerwurfs vergleichbar sind, wie in Abb. 10 dargestellt. Abbildung 10a zeigt, dass die CD des dynamischen Falles etwas größer ist als die des statischen Falles niedrigere AoA als in früheren Simulationen vorhergesagt13, aber der Unterschied ist nicht so groß wie in den vorherigen Simulationen vorhergesagt. Andererseits zeigt Abb. 10b, dass der CL des dynamischen Falles etwas kleiner ist als der des statischen Falles. Dies ist ein entgegengesetzter Effekt der Vibration zu dem in Referenz 13 vorhergesagten. Diese Inkonsistenz zwischen der vorherigen Simulation und den aktuellen Daten kann aufgrund des in Referenz13 angenommenen Modells auftreten. Die Relativgeschwindigkeit zum Javelin wurde als Summe der Haupteinströmgeschwindigkeit und der durch die Vibration verursachten Geschwindigkeit definiert. Es wurde angenommen, dass die Hauptanströmung gegen den Speer entlang der Längsachse gleich ist. Allerdings könnte die Geschwindigkeit des Hauptzuflusses im Vergleich zur stromabwärtigen Seite im Nachlauf verringert werden, insbesondere bei niedrigerer AoA. Infolgedessen könnten die aerodynamischen Kräfte, die im Nachlauf auf den dynamischen Javelin wirken, im Vergleich zur vorherigen Simulation geringer sein.

Aus Abb. 11 ist ersichtlich, dass die aerodynamischen Koeffizienten eines vibrierenden Speeres in Bezug auf AoA um einen AoA von 0° nahezu konstant sind, selbst wenn sich AoA von Zeit zu Zeit ändert. Man kann davon ausgehen, dass die Amplitude von AoA bei 0° sehr klein ist, und außerdem sind die Steigungen der aerodynamischen Koeffizienten in Bezug auf AoA um 0° sanft, wie in Abb. 10 dargestellt.

In zukünftigen Studien sollte die Verformung des Speeres gleichzeitig mit den aerodynamischen Kräften gemessen werden, die auf den vibrierenden Speer wirken. Darüber hinaus sollte eine Bayes'sche Optimierung der Flugstrecke unter Berücksichtigung der genauen Form und Steifigkeit des Javelins durchgeführt werden, bei der die Probleme der Fluid-Struktur-Wechselwirkung berücksichtigt werden.

Um die aerodynamischen Kräfte, die auf einen Javelin wirken, ohne störende Unterstützung durch die Stütze genau zu messen, wurde das weltweit größte magnetische Aufhängungs- und Gleichgewichtssystem verwendet. Durch den Einsatz eines Notch-Filters (Bandsperrfilter für die Resonanzfrequenzen) und die Variation seiner Intensität konnten sowohl der statische als auch der dynamische (vibrierende) Fall gemessen werden. Es wurde festgestellt, dass der moderne Javelin bei niedrigeren Anstellwinkeln positive Werte der Pitching-Moment-Koeffizienten (Nose-up) aufweist. Das Nickmoment wird positiv, wenn die stromaufwärtige Seite des Schwerpunkts stärker angeströmt wird als die stromabwärtige Seite. Die zeitlich gemittelten aerodynamischen Kräfte des dynamischen Falles waren mit denen des statischen Falles vergleichbar.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Chowdhury, H., Alam, F., Muscara, A. & Mustary, I. Eine experimentelle Studie über neue Regelspeere. Fortgeführt. Ing. 60, 485–490 (2013).

Artikel Google Scholar

Terauds, J. Windkanaltests von Wettkampfspeeren. Track Field Q. Rev. 74, 88–95 (1974).

Google Scholar

Ambo, T., Nakamura, Y., Ochiai, T., Nonomura, T. & Asai, K. Visualisierung der Strömungstrennung auf einem gestreckten Sphäroid mithilfe eines magnetischen Aufhängungs- und Gleichgewichtssystems. In der vierzehnten internationalen Konferenz über Strömungsdynamik, Sendai, Japan, 1.–3. November (2017).

Sasaki, K. Aerodynamische Messungen des Turbo-Jav-Modells unter Verwendung eines 1-m-Magnetaufhängungs- und Gleichgewichtssystems. Masterarbeit, Tohoku Univ. (2020) (auf Japanisch).

Chrisinger, JE, Tilton, EL III., Parkin, WJ, Cofin, JB & Covert, EE Magnetisches Aufhängungs- und Gleichgewichtssystem für Windkanalanwendungen. JR Aeronaut. Soc. 67, 717–724 (1963).

Artikel Google Scholar

Sawada, H. & Kunimasu, T. Entwicklung eines 60 m langen magnetischen Aufhängungs- und Balancesystems. J. Jpn. Soc. Aeronaut. Weltraumwissenschaft. 50, 188–195 (2002) (auf Japanisch).

ADS Google Scholar

Schott, T., Cox, D., Schoenenberger M. & Miller F. Betriebserfahrung mit dem elektromagnetischen Positionssensor (EPS) für das 6-Zoll-MSBS der NASA. im AIAA Scitech 2021 Forum, Januar, AIAA 2021-1872 (2021). https://doi.org/10.2514/6.2021-1872.

Sung, Y.-H., Lee, D.-K., Han, J.-S., Kim, H.-Y. & Han, J.-H. Das integrierte MSBS-SPR-System ermöglicht einen größeren Steuerbereich für effektive Windkanaltests. Int. J. Aeronaut. Weltraumwissenschaft. 18, 414–424. https://doi.org/10.5139/ijass.2017.18.3.414 (2017).

Artikel Google Scholar

Obayashi, S., Sawada, H. & Konishi, Y. Windkanal-Flugmess-Integrationsinstrument mit geringer Turbulenz, magnetischer Aufhängung und Gleichgewichtssystem. J. Jpn. Soc. Aeronaut. Weltraumwissenschaft. 62, 214–221 (2014) (auf Japanisch).

Google Scholar

Linthorne, N. Design und Materialien in der Leichtathletik. In Materials in Sports Equipment 2. Auflage (Hrsg. Subic, A.) 296–320 (Woodhead Publishing, 2007).

Kapitel Google Scholar

Okuizumi, H., Sawada, H., Nagaike, H., Konishi, Y. & Obayashi, S. Einführung von 1-m MSBS an der Universität Tohoku, neues Gerät für Aerodynamikmessungen von Sportgeräten. Multidisziplinär. Graben. Publ. Inst. Proz. 2, 273. https://doi.org/10.3390/proceedings2060273 (2018).

Artikel Google Scholar

Kobayashi, T. et al. Messung der aerodynamischen Kräfte, die auf einen sich nicht drehenden Speer wirken, mit einem MSBS. Multidisziplinär. Graben. Publ. Inst. Proz. 49, 144 (2020).

Google Scholar

Hubbart, M. & Bergman, C. Einfluss von Vibrationen auf den Hub und Widerstand des Speeres. J. Appl. Biomech. 5, 40–59. https://doi.org/10.1123/ijsb.5.1.40 (1989).

Artikel Google Scholar

Maeda, M., Nomura, H., Shamoto, E., Moriwaki, T. & Yanagida, Y. Dynamische Eigenschaften von Javelin und sportliche Leistung. J. Jpn. Soc. Sports Ind. 3, 15–20. https://doi.org/10.5997/sposun.3.2_15 (1993).

Artikel Google Scholar

Suda, S., Sawada, H. & Kunimasu, T. Entscheidungsmethode für Steuerkonstanten der Proportional-Integral-Steuerung und der doppelten Phasenverstellung für magnetische Aufhängungs- und Ausgleichssysteme. J. Jpn. Soc. Aeronaut. Weltraumwissenschaft. 53, 97–107 (2005) (auf Japanisch).

ADS Google Scholar

Kohama, Y. & Kobayashi, R. Windkanal mit geringer Turbulenz an der Tohoku-Universität. in AIAA Paper, AIAA-1992-3913 (1992).

Seo, K., Shimoyama, K., Ota, K., Ohgi, Y. & Kimura, Y. Optimierung der Flugdistanz und Robustheit im Diskus. Sport-Ing. 18, 55–65. https://doi.org/10.1007/s12283-014-0166-y (2015).

Artikel Google Scholar

Seo, K., Watanabe, I. & Murakami, M. Optimaler Flug eines V-Skisprungs. Sport-Ing. 7, 97–103 (2004).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken Kaori Sasaki, Shinya Shinji, Shogo Oyama und Ryuichi Ishiai für ihre Unterstützung. Ein Teil der Arbeit wurde im Rahmen des Verbundforschungsprojekts des Institute of Fluid Science der Universität Tohoku durchgeführt. Diese Forschung wurde von JSPS KAKENHI, Fördernummer 19H05570, finanziert.

Fakultät für Maschinenbau, Kogakuin-Universität, Tokio, 1618677, Japan

Kazuya Seo

Institut für Fluidwissenschaft, Tohoku-Universität, Sendai, 9808577, Japan

Hiroyuki Okuizumi, Yasufumi Konishi und Shigeru Obayashi

Department of Science, Universität Yamagata, Yamagata, 9908560, Japan

Takuto Kobayashi

Abteilung für mechanische Systemtechnik, Universität Utsunomiya, Utsunomiya, 3218585, Japan

Hiroaki Hasegawa

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KS, HO, YK, HH und SO konzipierten die Experimente. KS, HO, YK und TK führten die Experimente durch. KS, HO und TK führten die statistische Analyse und Zahlenerstellung durch und KS verfasste den Haupttext des Manuskripts. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Kazuya Seo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Seo, K., Okuizumi, H., Konishi, Y. et al. Messung der aerodynamischen Kraft und des aerodynamischen Moments, die auf einen Speer wirken, mithilfe eines magnetischen Aufhängungs- und Gleichgewichtssystems. Sci Rep 13, 391 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27534-2

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Eingegangen: 02. Februar 2022

Angenommen: 04. Januar 2023

Veröffentlicht: 09. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27534-2

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