_ Folosind aripi de libelulă pentru a studiază relația dintre structura aripii ondulate și mișcările vortex

Oamenii de știință de la Universitatea Hiroshima au întreprins un studiu al aripilor de libelule pentru a înțelege mai bine relația dintre o structură ondulată a aripii și mișcările vortexului. Ei au descoperit că aripile ondulate prezintă o portanță mai mare decât aripile plate.

Lucrările lor au fost publicate în jurnalul Physical Review Fluids pe 7 decembrie 2023.

Cercetătorii și-au propus să determine dacă ondularea aripii unei libelule este un ingredient secret pentru creșterea portanței. În timp ce cercetările anterioare au mărit în mare măsură fluxul constant din jurul aripii în timpul mișcării înainte, impactul vârtejurilor generate de structura sa ondulată asupra liftului a rămas un mister.

Suprafețele aripilor insectelor precum libelule, cicadele. , și albinele, nu sunt plate ca aripile unui avion de pasageri. Aripile insectelor sunt compuse din nervi și membrane, iar formele lor transversale constau din vârfuri (nervi) și segmente de linie (membrane). Geometria formei apare ca o conexiune a obiectelor cu formă de V sau alte forme.

Studiile anterioare au arătat că aripile ondulate, cu crestele și canelurile lor, au o performanță aerodinamică mai bună decât aripile netede la numere Reynolds scăzute. În aerodinamică, numărul Reynolds este o cantitate care ajută la prezicerea modelului de curgere al fluidelor.

Studiile aerodinamice anterioare asupra aripilor ondulate au contribuit la aplicații la roboți zburători mici, drone și morile de vânt. Deoarece insectele posedă o forță musculară scăzută, într-un fel aripile lor ondulate trebuie să le ofere avantaje aerodinamice. Cu toate acestea, oamenii de știință nu au înțeles pe deplin mecanismul care funcționează din cauza structurii complexe a aripii și a caracteristicilor de curgere.

Cercetătorii au folosit calcule numerice directe pentru a analiza fluxul din jurul unei aripi ondulate bidimensionale și au comparat performanța aripii ondulate. la cea a unei aripi plate. Ei și-au concentrat studiul pe perioada dintre generația inițială a vortexului de vârf și interacțiunile ulterioare înainte de detașare.

Ei au descoperit că performanța aripii ondulate era mai bună atunci când unghiul de atac, acel unghi la care vântul întâlnește aripa, a fost mai mare de 30°.

Structura neuniformă a aripii ondulate generează o portanță instabilă din cauza structurilor complexe de curgere și a mișcărilor vortex. „Am descoperit un mecanism de ridicare de stimulare alimentat de un dans unic al fluxului de aer, declanșat de o structură ondulată distinctă. Poate fi un schimbător de joc din scenariul cu aripile simple ale plăcii”, a spus Yusuke Fujita, Ph.D. student la Școala Absolventă de Științe Integrate pentru Viață, Universitatea Hiroshima.

Cercetătorii au construit un model bidimensional al unei aripi ondulate folosind o aripă de libelulă din viața reală. Modelul a constat din structuri ondulate mai adânci pe marginea anterioară și structuri mai puțin adânci, sau mai plate, pe partea cu marginea de fugă.

Folosind modelul lor bidimensional, au simplificat și mai mult mișcarea aripii și s-au concentrat. pe generarea de ridicare instabilă prin translatarea din repaus. Mișcarea de translație sau mișcarea de alunecare este o componentă principală a mișcării aripilor, în plus față de inclinare și rotație. Analiza cercetătorilor extinde înțelegerea mecanismelor non-staționare pe care le folosesc libelule în timpul zborului.

Echipa de cercetare a luat în considerare modele bidimensionale în studiul lor. Cu toate acestea, munca lor s-a concentrat pe aerodinamica zborului insectelor, unde fluxul este de obicei tridimensional.

„Dacă aceste rezultate sunt extinse la un sistem tridimensional, ne așteptăm să dobândim mai multe cunoștințe practice pentru înțelegere. zborul insectelor și aplicarea acestuia în industrie”, a spus Makoto Iima, profesor la Școala Absolventă de Științe Integrate pentru Viață, Universitatea Hiroshima.

Privind în viitor, cercetătorii își vor concentra investigațiile pe modele tridimensionale. „Am început lucrurile cu un model de aripă ondulată bidimensională într-o explozie bruscă de mișcare. Acum, ne lansăm în căutarea de a explora creșterea portanței într-o gamă mai largă de forme și mișcări ale aripilor. Scopul nostru final este să creăm un nou Aripă bio-inspirată cu performanță ridicată prin mecanismul nostru de îmbunătățire a porții”, a spus Fujita.

(Fluierul)