Forskare från Hiroshima University genomförde en studie av trollsländevingar för att bättre förstå förhållandet mellan en korrugerad vingstruktur och virvelrörelser. De upptäckte att korrugerade vingar uppvisar större lyftkraft än platta vingar.
Deras arbete publicerades i tidskriften Physical Review Fluids den 7 december 2023.
Forskarna försökte avgöra om korrugeringen av en trollsländas vinge är en hemlig ingrediens för att öka lyftet. Medan tidigare forskning till stor del har zoomat in på det stadiga flödet runt vingen under framåtrörelse, har inverkan av virvlar som skapats av dess korrugerade struktur på lyftet förblivit ett mysterium.
Vingytorna på insekter som trollsländor, cikador och bin är inte platta som vingarna på ett passagerarplan. Insektsvingarna är sammansatta av nerver och membran, och deras tvärsnittsformer består av hörn (nerver) och linjesegment (membran). Formens geometri visas som en koppling av föremål med en V-form eller andra former.
Tidigare studier har visat att korrugerade vingar, med sina åsar och spår, har en bättre aerodynamisk prestanda än släta vingar vid låga Reynolds-tal. Inom aerodynamik är Reynolds-talet en kvantitet som hjälper till att förutsäga vätskors flödesmönster.
Tidigare aerodynamiska studier på korrugerade vingar har bidragit till tillämpningar i små flygande robotar, drönare och väderkvarnar. Eftersom insekter har låg muskelstyrka måste deras korrugerade vingar på något sätt ge dem aerodynamiska fördelar. Ändå har forskare inte helt förstått mekanismen som fungerar på grund av den komplexa vingstrukturen och flödesegenskaperna.
Forskarna använde direkta numeriska beräkningar för att analysera flödet runt en tvådimensionell korrugerad vinge och jämförde den korrugerade vingens prestanda med den för en platt vinge. De fokuserade sin studie på perioden mellan den första genereringen av den ledande virveln och efterföljande interaktioner före frigörelse.
De upptäckte att den korrugerade vingens prestanda var bättre när anfallsvinkeln, den vinkel där vinden möter vingen, var större än 30°.
Den korrugerade vingens ojämna struktur genererar ett ostadigt lyft på grund av komplexa flödesstrukturer och virvelrörelser. "Vi har upptäckt en förstärkande lyftmekanism som drivs av en unik luftflödesdans som sätts igång av en distinkt korrugerad struktur. Det kan vara en förändring av det enkla plattvingsscenariot", säger Yusuke Fujita, en Ph.D. student vid Graduate School of Integrated Sciences for Life, Hiroshima University.
Forskarna konstruerade en tvådimensionell modell av en korrugerad vinge med hjälp av en verklig trollsländevinge. Modellen bestod av djupare korrugerade strukturer på framkantssidan och mindre djupa, eller plattare, strukturer på bakkantssidan.
Med hjälp av sin tvådimensionella modell förenklade de vingrörelserna ytterligare och fokuserade på ostadig lyftgenerering genom att översätta från vila. Translationell rörelse, eller glidande rörelse, är en huvudkomponent i vingrörelser, förutom stigning och rotation. Forskarnas analys utökar förståelsen för de icke-stationära mekanismer som trollsländor använder under flygning.
Forskargruppen övervägde tvådimensionella modeller i sin studie. Deras arbete fokuserade dock på insektsflygningens aerodynamik, där flödet vanligtvis är tredimensionellt.
"Om dessa resultat utökas till ett tredimensionellt system, förväntar vi oss att få mer praktisk kunskap för att förstå insekters flygning och dess tillämpning i branschen", säger Makoto Iima, professor vid Graduate School of Integrated Sciences for Life, Hiroshima University .
Framöver kommer forskarna att fokusera sina undersökningar på tredimensionella modeller. "Vi startade saker och ting med en tvådimensionell korrugerad vingmodell i en plötslig rörelse. Nu ger vi oss ut på strävan att utforska lyftförstärkningen över ett bredare utbud av vingformer och rörelser. Vårt slutmål är att skapa en ny bioinspirerad vinge med hög prestanda tack vare vår lyftförbättrande mekanism", sa Fujita.
Mer information: Yusuke Fujita et al, Dynamisk lyftmekanism för trollsländevingemodell genom virvel-korrugering, Physical Review Fluids (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.123101
Journalinformation: Fysiska granskningsvätskor
Tillhandahålls av Hiroshima University
