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Text File  |  1987-06-15  |  13KB  |  309 lines

  1. ================================================================================
  2.  
  3.     Airfoil generator utilizing the Joukowski transformation
  4.  
  5.     Written by:  Russell Leighton
  6.              762 1/2 W. Newgrove
  7.                  Lancaster, CA  93534
  8.                  22 March 1987
  9.     Addendum by: David Foster
  10.              1060 Hemlock Drive
  11.                  Rochester, MI 48063
  12.                  19 June 1988
  13. ================================================================================
  14.  
  15.     The following paper is a condensed version of the paper I
  16.     originally wrote describing the Joukowski tranformation.  It was
  17.     submitted to the Aeronautical and Mechanical Engineering
  18.     Department, School of Engineering and Technology of the
  19.     California Polytechnic State University in San Luis Obispo, CA
  20.     June 1984.
  21.  
  22. ================================================================================
  23.  
  24.     A Computational Flow Visualization Technique Utilizing the
  25.     Joukowski Transformation
  26.  
  27.     Written by:  Russell A. Leighton
  28.  
  29.     LIST OF SYMBOLS:
  30.  
  31.         u - Real component in w-plane
  32.         v - Imaginary component in w-plane
  33.         w - Complex resultant plane
  34.         x - Real component in z-plane
  35.         y - Imaginary component in z-plane
  36.         z - Complex source plane
  37.         i - Imaginary unit (square root of -1)
  38. ***
  39.         U - Free stream velocity
  40.         r - Circle radius
  41.         alpha - angle of incidence
  42. ***
  43.     INTRODUCTION:
  44.  
  45.     Conformal mapping is a very useful mathematical tool and has 
  46.     applications in the engineering field.  One particular application
  47.     utilizes conformal mapping to simplify the visualization of fluid
  48.     flow about airfoil sections.  By simplfing the mathematics this
  49.     technique allows for faster computation and therefore could be used
  50.     for real time computational flow visualization.  The potential uses
  51.     for a computational flow visualization technique range from an 
  52.     educational tool, illustrating the behavior of fluid flow about
  53.     airfoils, to an advanced modeling tool.  Since the actual flow is
  54.     computed about a simple shape, the circle, development of the flow
  55.     visualization equations is straight forward.
  56.  
  57.     The following sections will discuss the development of the mapping
  58.     equations, the streamline and pressure distribution equations, and
  59.     reverse mapping equations necessary for the calculation of the
  60.     circle parameters given airfoil data.
  61.  
  62.  
  63.     DISCUSSION:
  64.  
  65.     Conformal Mapping
  66.     -----------------
  67.  
  68.     Conformal mapping is a mathematical tool that can be used to
  69.     visualize the nature of complex functions.  A definition of 
  70.     conformal mapping can be understood by picturing two distinct
  71.     planes, the source plane (z-plane) and the resultant plane 
  72.     (w-plane).  Given a domain D of the z-plane and a complex function,
  73.     w = f(z) relating the z-plane to the w-plane, for each point in
  74.     domain D there exists a corresponding point in the w-plane.  If the
  75.     function, f(z) is an analytic function then the mapping given by
  76.     f(z) is said to be conformal, or angle-preserving, except at points
  77.     where the derivative, f'(z) is zero.
  78.  
  79.     The general form of the complex function relating the z-plane to
  80.     the w-plane is:
  81.  
  82.     (1)        w = f(z) = u(x,y) + (i)v(x,y)
  83.  
  84.             where:  z = x + (i)y
  85.  
  86.     The point wo = f(zo) corresponding to a point zo is called the
  87.     "image" of the point zo with respect to the mapping defined by
  88.     f(z).  A set of points representing a function in the z-plane will
  89.     have a corresponding set of points, or "image" in the w-plane.
  90.     Points located in the z-plane, such that the derivative of the 
  91.     mapping function goes to zero, are called critical points.  At 
  92.     these points the mapping is said to be non-conformal (i.e. the 
  93.     angles are not preserved).  As will be shown, these points are 
  94.     important for the following mapping.
  95.  
  96.     The Joukowski Transformation
  97.     ----------------------------
  98.  
  99.     The following mapping function is important in the field of
  100.     aerodynamics because of the nature of its' transformation.  With
  101.     this mapping function if a circle is plotted in the z-plane, such
  102.     that its' center is near the origin and it passes through one
  103.     critical point, it will be transformed into an airfoil shape. The
  104.     form of this function is:
  105.  
  106.     (2)        w = z + 1/z
  107.  
  108.     Its' derivative is:
  109.  
  110.     (3)        w' = 1 - 1/z = (z + 1)(z - 1)/z
  111.  
  112.     Therefore, the mapping will be conformal except at points z = 1
  113.     and z = -1, where w' goes to zero.  If plotted it would be evident
  114.     that passing through one of these points will produce a sharp edge 
  115.     resembling the trailing edge of an airfoil.  If the geometry of a 
  116.     circle is such that one of the critical points is intersected
  117.     while the other is bypassed, an airfoil shape will result from the
  118.     transformation.  This transformation is commonly known as the 
  119.     Joukowski transformation which was named for the Russian 
  120.     mathematician, Nikolai Jegorovich Joukowski for his initial use
  121.     of this mapping function.
  122.     ***
  123.     See below for second critical point location
  124.     ***
  125.  
  126.     Computer Implementation
  127.     -----------------------
  128.  
  129.     The derivation of the equations suitable for computer implementation
  130.     is as follows.  Given the complex function:
  131.  
  132.     (4)        w = u + (i)v = z + 1/z
  133.  
  134.     where u is the horizontal component in the w-plane and v is the
  135.     vertical component.  If
  136.  
  137.     (5)        z = x + (i)y
  138.  
  139.     then
  140.  
  141.     (6)        1/z = [1/(x + (i)y)][(x - (i)y)/(x - (i)y)]
  142.  
  143.     Separate the real and imaginary parts to obtain
  144.  
  145.     (7)        1/z = (x/s) - (i)(y/s)
  146.  
  147.             where:  s = x^2 + y^2
  148.  
  149.     therefore, from equation (4)
  150.  
  151.     (8)        u = x + x/s
  152.  
  153.     (9)        v = y - y/s
  154.  
  155.             where:  s = x^2 + y^2
  156.  
  157.     These equations define the mapping process and can be easily
  158.     implemented into computer software (see C source listing).
  159.  
  160.     To define the circle in the z-plane the radius and the location
  161.     of its' center are necessary.  Since the circle must pass through
  162.     one of the two critical points and bypass the other it is
  163.     necessary that the radius be greater than one.  This is actually
  164.     more information than is required to define the circle.  For
  165.     example, one component of the circle center location could be
  166.     calculated from the other component, the radius, and the known
  167.     critical point (e.g. -1,0).  Likewise, any of the other parameters
  168.     may be calculated if the remaining parameters are known.
  169.  
  170.     The Inverse Mapping
  171.     -------------------
  172.  
  173.     It has been shown that airfoil shapes may be easily obtained from
  174.     the Joukowski transformation of the relativily simple shape, the 
  175.     circle.  However, it is not convenient to define these airfoil
  176.     shapes in terms of their corresponding circle parameters (the radius
  177.     and center location).  To determine the necessary circle parameters,
  178.     an inverse mapping (or a mapping from the w-plane to the z-plane)
  179.     may be performed.
  180.  
  181.     Two airfoil parameters, the camber and thickness, are useful for
  182.     defining the airfoil.  A very simple inverse mapping, requiring
  183.     only three points to be mapped, can be found by specifing the 
  184.     camber and thickness at the mid-chord location.  The derivation
  185.     of this inverse mapping is rather involved, therefore, it is
  186.     left to the reader to determine, if so interested (or just take a
  187.     look at the C source listing and try to figure it out).
  188.  
  189.     Flow About Cylinders and Airfoils
  190.     ---------------------------------
  191.  
  192.     The usefulness of the Joukowski transformation is derived mostly
  193.     from the fact that a circle is a much simpler shape than the 
  194.     airfoil section.  This property of this particular mapping can be
  195.     further exploited by recognizing that not only is the airfoil
  196.     exactly represented by the circle (or a unit depth cylinder), but
  197.     the region about the airfoil is also represented by the region
  198.     surrounding the cylinder.  This means that any curves plotted about
  199.     the cylinder, in the z-plane, have corresponding curves located 
  200.     about the airfoil, in the w-plane.  Specifically, streamline and
  201.     pressure distribution plots may be computed for the cylinder and
  202.     then mapped onto the w-plane in order to obtain the corresponding
  203.     streamline and pressure distribution plots about the airfoil.
  204.     Again the equations for the streamline and pressure distribution
  205.     plots can be derived by the reader if so interested (the theory
  206.     can be found in most aeronautical engineering references).
  207. ***
  208. *   Also Advanced Engineering Mathematics,C.R.Wylie, pp 416-428
  209. *   McGraw Hill
  210. ***
  211.     Angle of Attack and Rotation Tranformation
  212.     ------------------------------------------
  213.  
  214.     The angle of attack may be included in the equations describing
  215.     the flow about the cylinder.  It is interesting to note that any
  216.     changes in angle of attack will not result in any change in the
  217.     flow about the cylinder except that the angle at which the flow
  218.     enters the region about the cylinder should be equal to the 
  219.     negative value of the angle of attack.  A simple rotation 
  220.     transformation would bring the flow direction back to the 
  221.     horizontal, resulting in no apparent change from a zero angle of
  222.     attack.  It should be noted, however, that the local coordinate
  223.     axis is no longer coincident with the global coordinate axis.
  224.     Because of this difference the Joukowski transformation will 
  225.     result in an airfoil at an angle of attack with the flow direction
  226.     coming into and leaving the region of the airfoil, parallel to 
  227.     the horizontal global coordinate axis.
  228. ***
  229. *    Addendum
  230. *    It will be apparent from looking at the original version of the program 
  231. *    the streamlines obtained are not realistic at the trailing edge when
  232. *    the airfoil is at other than zero incidence. Also, the pressure plot
  233. *    reveals that no lift is generated, because the pressure is equal above
  234. *    and below the airfoil.
  235. *    This deficiency has long been recognized, and the standard correction is
  236. *    to add the complex potential for a point vortex to the original flow. 
  237. *    The added term is
  238. *                      -K.i.log(z)/2.PI
  239. *    which results in an addition to the stream function of
  240. *                       K.log(rs/r)/2.PI
  241. *   but does not change the value of zero for the circle and 'dividing'
  242. *   streamline, since at rs = r, log(rs/r) = log (1) = 0
  243. *   The Joukowski hypothesis is that the circulation K is such that the 
  244. *    second stagnation point is at the point on the circle which will map into
  245. *    the trailing edge of the airfoil.In terms of the incidence, it results
  246. *    that 
  247. *                       K = 4.PI.U.r.sin(alpha)
  248. ***
  249.     The same is also true for the pressure distribution.  At any given
  250.     angle of attack, the pressure distribution will remain the same
  251.     for the cylinder.
  252. ***
  253. *   When the circulation is added, the pressure distribution for both the 
  254. *   circle and the airfoil are now non-symmetric. This is a central feature
  255. *    of the transformation, and can be shown to result in the 
  256. *                  KUTTA - JOUKOWSKI LAW
  257. *                  Lift = Density.U.K.
  258. ***
  259.     However, once transformed to the w-plane, the 
  260.     resulting pressure distribution will be about an airfoil at the
  261.     given angle of attack.
  262. ***
  263. *   In the code airfoil.c
  264. *
  265. *   the log(rs/r) term has been approximated by its first order expansion
  266. *   derived from log(R) = 2.{ (R-1)/(R+1) + ... <[(R-1)/(R+1)]^n>/n ... }
  267. *   This has enabled the elegant plotting scheme devised by the original
  268. *   author to be retained, while including the essential features of the
  269. *   circulation in correcting the streamlines and pressure distribution
  270. ***
  271. *
  272. Possible Additions to the Model
  273.     -------------------------------
  274.  
  275.     The equations for the streamline plot and the pressure distribution
  276.     are easily derived for flow about a simple cylinder.  The equations,
  277.     or model used in the program assume invisid, irrotational flow and
  278.     were therefore the simplest to derive.  A possible addition to this
  279.     model would be to incorporate boundary layer effects into the 
  280.     equations describing the flow about the cylinder.
  281.  
  282.     Another addition, that is important if precise airfoil geometry is
  283.     required, is the incorporation of a complete inverse mapping 
  284.     capability.  A complete inverse mapping would allow for a point by
  285.     point description of the airfoil as input to the model.  This
  286.     airfoil geometry would, in turn, be mapped from the w-plane onto 
  287.     the z-plane resulting in an approximate cylindrical shape.  The flow
  288.     model may then be developed for this approximate cylinder and the
  289.     corresponding flow model, describing the flow about the airfoil,
  290.     may then be obtained by the forward mapping process.  Although
  291.     complex this addition would increase the accuracy of this modeling
  292.     technique giving results suitable for comparison to experimental
  293.     results.
  294.  
  295.     CONCLUSION:
  296.  
  297.     By simplifing the modeling process, conformal mapping and in
  298.     particular, the Joukowski transformation, offers a simple and
  299.     fast method for computational flow visualization of fluid flow
  300.     about arbitrary airfoil sections.  The equations necessary for the
  301.     mapping process are readily incorporated into a computer program
  302.     which aids in the production of a graphical output of the
  303.     transformation.
  304.  
  305.     The potential use of the Joukowski transformation is only limited
  306.     by the fluid model developed to describe the flow about the 
  307.     cylinder.  Since the modeling process is simplified, complex
  308.     fluid models can be more easily incorporated.
  309.