Membranous or hairly: fluid dynamics approach to the wing microstrucures

膜状或毛状：机翼微结构的流体动力学方法

基本信息

批准号：
22K20656
负责人：
前田将輝
金额：
$ 1.83万
依托单位：
Takushoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

大きく実験と数値計算に分けて記述する。まず実験については、鳥の風切羽をデジタル光学顕微鏡により観察し、羽根中央の太い羽軸・羽軸から両側面へ分岐する羽枝・および羽枝からさらに分岐する小羽枝という微細構造を確認した。また研究協力者の中臺博士から送付いただいたホソガの翅の観察も行った。次に本助成金により購入した3Dスキャナ (Revopoint POP 2) により風切羽の3Dスキャンを試みた。その結果、平面形と羽軸・羽弁（羽枝と小羽枝で構成される平板状部位）といった大まかな3次元形状は概ねよく取得できたものの、羽軸や羽弁の表面にはノイズ由来と思われる不自然な凹凸が見られた。一方で、羽弁を構成する羽枝と小羽枝（羽枝よりも高さが小さい）による微細な凹凸は確認できなかった。これらは解像度の不足によるものと考えられる。次に数値計算については、研究環境の整備・CADによる羽根モデルの作成・および流れ場の予備的計算を達成した。具体的には、まず羽軸に膜状の羽弁を加えたシンプルな羽根モデル（羽弁モデル）を作成した。次に羽軸から左右に櫛状の毛（羽枝）が分岐する羽根モデル（羽枝モデル）を作成した。この2モデルのそれぞれについて、オープンソースの流れ解析ソフト OpenFOAM を用いて定常シミュレーションを実行した。テスト計算であるため敢えて小さな流速の1 m/sかつ乱流モデルは不使用とし、迎え角は-5度から25度まで5度刻みとした。羽枝モデルは羽弁モデルに比べて揚力は小さく、一方で抗力はやや大きく、結果として空気力学的性能の指標である揚抗比（揚力を抗力で割った値）は羽弁モデルの方が羽枝モデルよりも最大で10倍ほど大きい結果となった。羽枝モデルでは羽枝間に小羽枝がなく比較的大きな隙間があるため、ここから気流が漏れることが原因であると考えられる。

它将大致分为实验和数值计算。首先，在实验中，使用数字光学显微镜观察鸟类的飞行羽毛，以确认厚羽毛轴和羽毛中心中的羽毛轴的精细结构，以及从羽毛轴向更远的羽毛轴向两侧分支的羽毛分支，以及从羽毛分支远处分支的羽毛分支。我们还观察了Hosoga的翅膀，该研究由Nakata博士研究。接下来，我们尝试使用通过此赠款购买的3D扫描仪（Revopoint Pop 2）进行3D扫描飞行羽毛。结果，尽管粗糙的三维形状，例如平面形状，叶片轴和许多叶片阀（由叶片和小叶片分支组成的平坦部分），但在叶片轴和许多叶片阀的表面上存在不自然的不均匀度，这些叶片被认为是由噪音引起的。另一方面，未观察到构成羽毛阀的羽毛分支和小羽毛分支（高度小于羽毛分支小）引起的细微不平衡。人们认为这是由于缺乏解决方案所致。接下来，关于数值计算，我们实现了研究环境的发展，使用CAD创建了刀片模型，并对流场进行初步计算。具体而言，我们首先创建了一个简单的羽毛模型（羽毛阀模型），其中将膜状羽毛阀添加到羽毛轴上。接下来，创建了一个羽毛模型（羽毛模型），其中梳形皮草（羽毛模型）从羽毛轴向左和右侧分支。使用开源流量分析软件OpenFOAM对这两个模型进行了稳态模拟。由于这是一个测试计算，因此我们故意使用较小的流速为1 m/s的湍流模型，并且将攻击角度设置为5度从-5度到25度。 HAEBE模型的升力力小于HAEBE模型，而阻力略高，导致抗力抗性比（抗力抗性除以阻力力），这是空气动力性能的指标，这是HAEBE模型中最大的10倍。在HAE-E模型中，Hae-Earth分支之间没有小羽毛，并且存在相对较大的间隙，因此人们认为原因是气流从这里泄漏。