Brug guldsmedevinger til at studere forholdet mellem korrugeret vingestruktur og hvirvelbevægelser

Forskere fra Hiroshima University foretog en undersøgelse af guldsmedevinger for bedre at forstå forholdet mellem en korrugeret vingestruktur og hvirvelbevægelser. De opdagede, at bølgede vinger udviser større løft end flade vinger.

Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Fluids den 7. december 2023.

Forskerne satte sig for at afgøre, om korrugeringen af ​​en guldsmeds vinge er en hemmelig ingrediens til at øge løfteevnen. Mens tidligere forskning i vid udstrækning har zoomet ind på den konstante strømning omkring vingen under fremadgående bevægelse, er virkningen af ​​hvirvler affødt af dens korrugerede struktur på løftet forblevet et mysterium.

Vingeoverfladerne på insekter som guldsmede, cikader og bier er ikke flade som vingerne på et passagerfly. Insektvingerne er sammensat af nerver og membraner, og deres tværsnitsformer består af hjørner (nerver) og linjestykker (membraner). Formens geometri fremstår som en forbindelse af objekter med en V-form eller andre former.

Tidligere undersøgelser har vist, at korrugerede vinger med deres kamme og riller har en bedre aerodynamisk ydeevne end glatte vinger ved lave Reynolds-tal. Inden for aerodynamik er Reynolds-tallet en størrelse, der hjælper med at forudsige væskers strømningsmønster.

Tidligere aerodynamiske undersøgelser af korrugerede vinger har bidraget til anvendelser i små flyvende robotter, droner og vindmøller. Fordi insekter har lav muskelstyrke, skal deres bølgede vinger på en eller anden måde give dem aerodynamiske fordele. Alligevel har videnskabsmænd ikke fuldt ud forstået mekanismen, der virker på grund af den komplekse vingestruktur og flowkarakteristika.

Forskerne brugte direkte numeriske beregninger til at analysere flowet omkring en todimensionel bølgeformet vinge og sammenlignede ydeevnen af ​​den bølgede vinge med en flad vinge. De fokuserede deres undersøgelse på perioden mellem den første generation af den førende hvirvel og efterfølgende interaktioner før løsrivelse.

De opdagede, at ydeevnen af ​​den korrugerede vinge var bedre, når angrebsvinklen, den vinkel, hvor vinden møder vingen, var større end 30°.

Den korrugerede fløjs ujævne struktur genererer et ustabilt løft på grund af komplekse strømningsstrukturer og hvirvelbevægelser. "Vi har opdaget en boostende løftemekanisme, drevet af en unik luftstrømsdans, der er sat i gang af en særskilt bølgeformet struktur. Det kan være en game-changer fra det simple pladevingescenarie," sagde Yusuke Fujita, en Ph.D. studerende ved Graduate School of Integrated Sciences for Life, Hiroshima University.

Forskerne konstruerede en todimensionel model af en korrugeret vinge ved hjælp af en real-life guldsmedevinge. Modellen bestod af dybere bølgede strukturer på forkantsiden og mindre dybe eller fladere strukturer på bagkanten.

Ved at bruge deres todimensionelle model forenklede de vingebevægelsen yderligere og fokuserede på ustabil løftgenerering ved at oversætte fra hvile. Translationel bevægelse, eller glidende bevægelse, er en hovedkomponent i vingebevægelse, ud over stigning og rotation. Forskernes analyse udvider forståelsen af ​​de ikke-stationære mekanismer, som guldsmede bruger under flugten.

Forskerholdet overvejede todimensionelle modeller i deres undersøgelse. Men deres arbejde fokuserede på aerodynamikken ved insektflyvning, hvor flowet typisk er tredimensionelt.

"Hvis disse resultater udvides til et tredimensionelt system, forventer vi at få mere praktisk viden til at forstå insektflugt og dets anvendelse i industrien," siger Makoto Iima, professor ved Graduate School of Integrated Sciences for Life, Hiroshima University .

Fremadrettet vil forskerne fokusere deres undersøgelser på tredimensionelle modeller. "Vi satte gang i tingene med en todimensionel bølgeformet vingemodel i et pludseligt udbrud af bevægelse. Nu går vi i gang med at udforske løfteløftet på tværs af en bredere række af vingeformer og -bevægelser. Vores ultimative mål er at skabe en ny bio-inspireret vinge med høj ydeevne af vores løfteforstærkende mekanisme," sagde Fujita.

Flere oplysninger: Yusuke Fujita et al., Dynamisk løfteforbedringsmekanisme af guldsmedsvingemodel ved vortex-korrugering interaktion, Physical Review Fluids (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.123101

Journaloplysninger: Fysiske gennemgangsvæsker

Leveret af Hiroshima University