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。

描述将大致分为实验和数值计算。首先，在实验中，用数码光学显微镜观察了鸟类的飞羽，观察了羽毛中心的粗羽轴、从羽轴向两侧分枝的倒刺以及从羽轴进一步分枝的小羽枝的精细结构。轴被证实。我们还观察了我们的研究合作者 Nakadai 博士送给我们的一只日本蛾的翅膀。接下来，我们尝试使用通过这笔赠款购买的 3D 扫描仪 (Revopoint POP 2) 对飞行羽毛进行 3D 扫描。结果，虽然可以很好地获得平面形状、羽轴和羽花瓣（由倒刺和小羽枝组成的平板状部分）等粗糙的三维形状，但羽轴和羽花瓣的表面没有受到影响观察到不自然的不均匀。另一方面，无法观察到由构成翼瓣的倒刺和小羽枝（其高度小于倒刺）引起的微小不规则。这些被认为是由于分辨率不够造成的。接下来，在数值计算方面，我们建立了研究环境，使用CAD创建了叶片模型，并完成了流场的初步计算。具体来说，他们首先通过在轴上添加膜状叶片来创建一个简单的叶片模型（叶片阀模型）。接下来，我们创建了一个羽毛模型（倒刺模型），其中梳状毛发（倒刺）从轴向左右分支。使用开源流动分析软件 OpenFOAM 对这两个模型进行了稳态模拟。由于这是测试计算，我们故意不使用低流速 1 m/s 的湍流模型，并将攻角设置为从 -5 度到 25 度，增量为 5 度。与叶片模型相比，倒钩模型的升力较小，但阻力稍大。因此，作为气动性能指标的升阻比（升力除以阻力）较高风向标模型的结果比 barbage 模型大 10 倍。在倒刺模型中，倒刺之间没有倒刺，并且它们之间存在较大的间隙，这被认为是气流泄漏的原因。