Wetenschappers van de Universiteit van Hiroshima hebben een studie uitgevoerd naar libellenvleugels om de relatie tussen een gegolfde vleugelstructuur en vortexbewegingen beter te begrijpen. Ze ontdekten dat gegolfde vleugels een grotere lift vertonen dan platte vleugels.

Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Fluids op 7 december 2023.

De onderzoekers wilden bepalen of de plooiing van de vleugel van een libel een geheim ingrediënt is om de lift te vergroten. Hoewel onderzoek uit het verleden grotendeels heeft ingezoomd op de gestage stroming rond de vleugel tijdens voorwaartse beweging, is de impact van wervels die door de gegolfde structuur worden voortgebracht op de lift een mysterie gebleven.

De vleugeloppervlakken van insecten zoals libellen, krekels en bijen zijn niet plat zoals de vleugels van een passagiersvliegtuig. De insectenvleugels zijn samengesteld uit zenuwen en membranen, en hun dwarsdoorsnedevormen bestaan ​​uit hoekpunten (zenuwen) en lijnsegmenten (membranen). De geometrie van de vorm verschijnt als een verbinding van objecten met een V-vorm of andere vormen.

Eerdere studies hebben aangetoond dat gegolfde vleugels, met hun ribbels en groeven, betere aerodynamische prestaties hebben dan gladde vleugels bij lage Reynoldsgetallen. In de aerodynamica is het Reynoldsgetal een grootheid die het stromingspatroon van vloeistoffen helpt voorspellen.

Eerdere aerodynamische onderzoeken naar gegolfde vleugels hebben bijgedragen aan toepassingen in kleine vliegende robots, drones en windmolens. Omdat insecten een lage spierkracht bezitten, moeten hun gegolfde vleugels hen op de een of andere manier aerodynamische voordelen bieden. Toch hebben wetenschappers het werkingsmechanisme nog niet volledig begrepen vanwege de complexe vleugelstructuur en stromingseigenschappen.

De onderzoekers gebruikten directe numerieke berekeningen om de stroming rond een tweedimensionale gegolfde vleugel te analyseren en vergeleken de prestaties van de gegolfde vleugel met die van een platte vleugel. Ze concentreerden hun onderzoek op de periode tussen de eerste generatie van de toonaangevende vortex en de daaropvolgende interacties vóór onthechting.

Ze ontdekten dat de prestaties van de gegolfde vleugel beter waren als de aanvalshoek, de hoek waarbij de wind de vleugel raakt, groter was dan 30°.

De ongelijke structuur van de gegolfde vleugel genereert een onstabiele lift vanwege complexe stromingsstructuren en wervelbewegingen. "We hebben een versterkend liftmechanisme ontdekt dat wordt aangedreven door een unieke luchtstroomdans die wordt veroorzaakt door een duidelijke gegolfde structuur. Het kan een game-changer zijn ten opzichte van het eenvoudige plaatvleugelscenario", zegt Yusuke Fujita, een Ph.D. student aan de Graduate School of Integrated Sciences for Life, Universiteit van Hiroshima.

De onderzoekers construeerden een tweedimensionaal model van een gegolfde vleugel met behulp van een echte libellenvleugel. Het model bestond uit diepere gegolfde structuren aan de voorrandzijde en minder diepe, of vlakkere, structuren aan de achterrandzijde.

Met behulp van hun tweedimensionale model vereenvoudigden ze de vleugelbeweging verder en concentreerden ze zich op het genereren van onstabiele lift door te vertalen vanuit rust. Translatiebeweging, of glijdende beweging, is een hoofdcomponent van vleugelbeweging, naast stampen en draaien. De analyse van de onderzoekers vergroot het begrip van de niet-stationaire mechanismen die libellen gebruiken tijdens de vlucht.

Het onderzoeksteam heeft in hun onderzoek rekening gehouden met tweedimensionale modellen. Hun werk concentreerde zich echter op de aerodynamica van insectenvluchten, waarbij de stroming typisch driedimensionaal is.

"Als deze resultaten worden uitgebreid naar een driedimensionaal systeem, verwachten we meer praktische kennis te verwerven voor het begrijpen van insectenvluchten en de toepassing ervan in de industrie", zegt Makoto Iima, professor aan de Graduate School of Integrated Sciences for Life, Universiteit van Hiroshima. .

Vooruitkijkend zullen de onderzoekers hun onderzoek richten op driedimensionale modellen. "We zijn begonnen met een tweedimensionaal gegolfd vleugelmodel in een plotselinge bewegingsstoot. Nu beginnen we aan de zoektocht om de liftversterking te onderzoeken in een breder scala aan vleugelvormen en bewegingen. Ons uiteindelijke doel is het maken van een nieuwe bio-geïnspireerde vleugel met hoge prestaties dankzij ons liftverhogende mechanisme", aldus Fujita.

Meer informatie: Yusuke Fujita et al, Dynamisch liftverbeteringsmechanisme van libelvleugelmodel door vortex-golfinteractie, Physical Review Fluids (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.123101

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsvloeistoffen

Aangeboden door de Universiteit van Hiroshima