Hydrodynamic Design Principles of Uneven Shape extracted from Dragonfly wing and Sand Dunes

从蜻蜓翅膀和沙丘中提取的凹凸形状水动力设计原理

• 批准号: 22KJ2316
• 负责人: 藤田 雄介
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Hiroshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2316/
• 关键词: 流体力学; 昆虫飛翔; 砂丘動力学; 凹凸構造物; 渦運動; 死水領域; 数値流体力学; 流れ解析実験; 生物飛翔

本研究の目的は自然界にみられる複雑な形状をもつ物体周りの流れを解析し，その形状の流体力学的な特徴や形成のメカニズムについて考察することである．その具体的な対象として，トンボ翼や砂丘を設定している．本年度前半は主に砂丘の研究を行った．特に，卓越風下で観察されるバルハン砂丘後方の流れ構造について検討した．具体的には，縮小砂丘模型を作成し，前年度中に整備した実験用水槽を用い，流れの可視化実験を行った．その結果，砂丘動力学の研究者らが予想していた内巻きのらせん渦とは異なり，外巻きのらせん渦構造が観察された．そしてこの結果について，論文投稿を目指し，実験用水槽を再作成し，砂丘模型の設置方法や流れの可視化手法について再検討した．本年度後半は主にトンボ翼の研究を行った．特に，これまでの研究で明らかになった，トンボ翼におけるラムダ渦の崩壊・噴出について，定量的な評価を検討した．具体的には翼上のある空間に注目し，その上での渦度，圧力を時空間分布で可視化し，その分布を定量化した．その結果，翼性能が向上されない場合に共通した傾向が観察された．得られた結果は，これまでの結果と合わせて論文にまとめ，まとまり次第，投稿予定である．また，ラムダ渦の崩壊と翼性能向上の関係における普遍性について，レイノルズ数依存性を整理したところ，レイノルズ数が数百程度まで落ち込むとラムダ渦生成がなくなり，トンボ翼の凹凸構造の影響がなくなることが確認された．このほか，前年度から検討していた，凹凸構造の違いによる翼性能の変化について検討し，その結果の一部を論文にまとめ，報告した．そして，一見関連の薄いように見える砂丘とトンボ翼の関係性について，研究会発表やセミナー発表を行い，非線形科学の専門家らと議論した．これらの結果については，査読付き論文１件，国際会議２件，国内会議8件の発表を行った．

本研究的目的是分析自然界中复杂形状物体周围的流动，并考虑这些形状的流体动力学特征和形成机制。具体目标包括蜻蜓翅膀和沙丘。今年上半年，我主要研究沙丘。特别是，我们研究了在盛行风下观察到的新月形沙丘后面的流动结构。具体来说，我们创建了一个按比例缩小的沙丘模型，并使用前一年建造的实验水箱进行了流动可视化实验。结果，观察到了向外的螺旋涡结构，与沙丘动力学研究人员预期的向内螺旋涡结构不同。基于这些结果，我们重新创建了实验水箱，并重新考虑了沙丘模型的安装方法和可视化流动的方法，以提交论文。今年下半年主要研究蜻蜓翅膀。特别是，我们研究了蜻蜓翅膀中λ涡流的塌陷和喷射的定量评估，这在之前的研究中已经揭示。具体来说，我们关注机翼上方的某个空间，对其涡度和压力的时空分布进行可视化，并对其分布进行量化。结果，当叶片性能未得到改善时，观察到了一个共同趋势。获得的结果将与之前的结果一起总结在一篇论文中，并在最终确定后立即提交。此外，考虑到λ涡流崩溃与机翼性能改善之间关系的普遍性，我们分析了雷诺数依赖性，发现当雷诺数下降到数百左右时，λ涡流的产生消失，并且λ涡流的影响消失。蜻蜓翅膀的不均匀结构消失了。此外，我们还调查了去年以来我们一直在研究的不均匀结构差异导致的叶片性能变化，并将部分结果总结成一篇论文并进行了报告。然后我们进行了研究小组报告和研讨会报告，并与非线性科学专家讨论了沙丘和蜻蜓翅膀之间看似无关的关系。这些结果在一篇同行评审论文、两次国际会议和八次国内会议上发表。

项目成果

2次元コルゲート翼における非定常揚力生成機構の遷移

二维波纹翼非定常升力产生机制的转变

• 发表时间: 2021
• 作者: 藤田 雄介;飯間 信
• 通讯作者: 飯間 信

コルゲート翼の翼性能向上機構におけるレイノルズ数依存性

波纹叶片叶片性能改进机制中的雷诺数依赖性

• 发表时间: 2021
• 作者: 藤田 雄介;飯間 信
• 通讯作者: 飯間 信

縮小水槽実験による砂丘模型後方の渦構造

基于缩水箱实验的沙丘模型背后的涡结构

• 发表时间: 2022
• 作者: 藤田 雄介;西森 拓;飯間 信
• 通讯作者: 飯間 信

Reynolds number dependency on the aerodynamic performance of corrugated wing in unsteady motion

非定常运动中波纹翼气动性能的雷诺数依赖性

• 发表时间: 2022
• 作者: Yusuke Fujita;Makoto Iima
• 通讯作者: Makoto Iima

コルゲート翼の翼性能のパラメータ依存性

波纹翼翼性能参数依赖性

• 发表时间: 2021
• 作者: 藤田 雄介;飯間 信
• 通讯作者: 飯間 信