Fysik i V-formede flyveformationer giver indsigt i energieffektivitet

Fugle har inspireret menneskelig flugt i århundreder, men Shabnam Raayai mener, at de også kan tilbyde lektioner i at reducere energiforbruget.

En fellow ved Rowland Institute ved Harvard, Raayai arbejder på at udvinde fysik med praktiske anvendelser fra naturfænomener, uanset om det er flyvende fugle eller hajskæl. Med udgangspunkt i de V-formede flyveformationer af trækfugle har Raayais team afsløret ny indsigt i, hvordan flyvningen af ​​ubemandede luftfartøjer, såsom droner, kunne designes til at give længere levetid for strømkilder.

Resultaterne vil også være anvendelige til alle former for kollektiv bevægelse gennem medium, fra køretøjer, der bevæger sig under vand til, hvordan vegetationspletter kan arrangeres til oversvømmelseskontrol. Forskningsartiklen med titlen "Impact of bio-inspired V-formation on flow past arrangement of non-lifting objects," er publiceret i tidsskriftet Physics of Fluids .

Forskning i gruppeflyvningsoptimering er ikke ny, men de fleste sådanne eksperimenter har fokuseret på fly med faste vinger, hvor mekanisk løft genereres af vingernes form, siger forskerne. Mindre er kendt om "ikke-løftende" dele af køretøjer, som kroppen af ​​små propelfartøjer, som bliver stadig vigtigere i industrielle og militære omgivelser. "Hvad hvis vores enheder eller køretøjer ikke har faste vinger?" sagde Raayai. "Hvordan ændrer flowfysikken sig?"

At besvare disse spørgsmål krævede et kreativt eksperimentelt setup, der tog hensyn til både målenøjagtighed og omkostningseffektivitet. Ved at bruge en vandtunnel og cylindre til at repræsentere køretøjer under flyvning, brugte holdet en teknik kaldet partikel-billedhastighedsmåling til at måle strømningsfeltet omkring hvert objekt. En enkelt laser og fire skærende lysark skabte et fuldt oplyst rum, hvor forskerne brugte højhastighedsbilleder til at fange, hvordan forskellige arrangementer påvirkede hvert objekts træk. Da vand og luft begge er newtonske væsker, giver simple beregninger mulighed for ekstrapolering til en række forskellige anvendelser.

Blandt deres observationer:I en konfiguration fandt de en 45 % reduktion af modstanden for medlemmer af anden række bag lederen og en vis yderligere fordel for trækreduktion for lederen. Disse fordele faldt, efterhånden som vinklen på V'eren blev bredere, ifølge dataene.

Raayai understregede, at målingerne er et basissæt af principper, ud fra hvilke forskellige forskere eller industrier kan anvende deres egne parametre til optimering. "Optimering har flere veje, afhængigt af hvad du vil gøre," sagde hun. "Vil du have, at alle dine syv medlemmer skal bruge den samme mængde batteri mellem punkt A til punkt B? Hvis det er tilfældet, bliver du nødt til at finde ud af en måde, hvorpå du kan skifte medlemmers position under hele din flyvning."

I sidste ende ønsker Raayai at hjælpe med at finde en vej mod dekarbonisering ved at tilbyde nye måder at reducere energiforbruget og bevæge sig mod elektrificering. Og naturen har en måde at skubbe hende på.

"Mange dyr vælger at manøvrere i grupper, og det er gavnligt for dem - dem, der går, og dem, der svømmer eller flyver," sagde hun.

Flere oplysninger: Prasoon Suchandra et al., Indvirkning af bio-inspireret V-formation på flow forbi arrangementer af ikke-løftende genstande, Physics of Fluids (2024). DOI:10.1063/5.0186287

Journaloplysninger: Fysik af væsker

Leveret af Harvard University

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. Besøg Harvard.edu for yderligere universitetsnyheder.