[論文レビュー] A computational study of the aerodynamic forces and power requirements of dragonfly Aeschna juncea hovering

Mao Sun, Shi Long Lan|ArXiv.org|Apr 8, 2004

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 21被引用数 13

ひとこと要約

この計算研究では、オーバーラップグリッドを用いたナビエ＝ストークスシミュレーションを用いて、ヤブカラコオロギ（Aeschna juncea）の垂直飛行における非定常な空力的力およびパワー要件を調査した。その結果、垂直力の約65％が抗力に起因し、各ダウンストロークにおける渦の剥離が強い上向きの力を生成することが明らかになった。非定常な流れの効果により、質量当たりの機械的パワーは37 W kg⁻¹に達した。

ABSTRACT

Aerodynamic force generation and mechanical power requirements of a dragonfly (Aeschna juncea) in hovering flight are studied. The method of numerically solving the Navier-Stokes equations in moving overset grids is used. There are two large vertical force peaks in one flapping cycle. One is in the first half of the cycle, which is mainly due to the hindwings in their downstroke; the other is in the second half of the cycle, which is mainly due to the forewings in their downstroke. Hovering with a large stroke plane angle, the dragonfly uses drag as a major source for its weight supporting force (approximately 65% of the total vertical force is contributed by the drag and 35% by the lift of the wings). The vertical force coefficient of a wing is twice as large as the quasi-steady value. The interaction between the fore- and hindwings is not very strong and is detrimental to the vertical force generation. Compared with the case of a single wing in the same motion, the interaction effect reduces the vertical forces on the fore- and hindwings by 14% and 16% of that of the corresponding single wing, respectively. The large vertical force is due to the unsteady flow effects. The mechanism of the unsteady force is that in each downstroke of the hindwing or the forewing, a new vortex ring containing downward momentum is generated, giving an upward force. The body-mass-specific power is 37 W kg-1, which is mainly contributed by the aerodynamic power.

研究の動機と目的

• Aeschna junceaが効果的に垂直飛行を実現するための非定常な空力的メカニズムを理解すること。
• 垂直飛行中の垂直力生成における揚力と抗力の寄与を定量すること。
• 前翼と後翼の相互作用が力の生成およびパワー効率に与える影響を評価すること。
• 非定常な流れ条件下における単位質量当たりの機械的パワー要件を特定すること。

提案手法

• 複雑な翼・体幹の運動を扱うために、オーバーラップ（チムェラ）グリッド上での非圧縮性ナビエ＝ストークス方程式の数値的解法。
• 観察されたヤブカラコオロギの運動を模倣するように規定された翼の運動を用いた、完全なフラッピングサイクルのシミュレーション。
• 動的オーバーラップグリッドを用いて、移動する翼表面および変化する流れ場を正確に追跡。
• 圧力場および速度場を用いて、時間分解能のある空力的力およびパワーを計算。
• 相互作用効果を評価するために、二翼配置と単一翼ケースを比較。
• 渦構造および運動量の輸送を分析し、非定常な力生成メカニズムを説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Aeschna junceaが垂直飛行する際、垂直力生成に寄与する揚力と抗力の相対的寄与はどの程度か？
• RQ2 渦の剥離などの非定常な流れ効果が、ヤブカラコオロギの垂直飛行における力生成にどのように寄与するか？
• RQ3 垂直飛行における単位質量当たりの機械的パワー要件は何か？ そして、これは空力的成分と他の成分にどのように分配されるか？
• RQ4 前翼と後翼の相互作用は、全体の力生成および効率にどのように影響するか？
• RQ5 なぜ垂直力係数が準定常予測値よりも顕著に高いのか？

主な発見

• 抗力が合計垂直力の約65％を占め、揚力が残りの35％を占めるため、重量支持において抗力が支配的役割を果たしていることが示された。
• 垂直力係数は、非定常な流れ効果、特に渦の形成のおかげで準定常値の2倍に達した。
• 各ダウンストロークでは、新しい渦リングが生成され、それが下向きの運動量を運ぶため、翼に上向きの空力的力が作用する。
• 前翼と後翼の相互作用により、単独翼ケースと比較して、前翼の垂直力は14％、後翼の垂直力は16％減少した。
• 質量当たりの機械的パワーは37 W kg⁻¹であり、その主な成分は空力的パワーであった。
• 大きなストローク平面角（高い迎角）のおかげで抗力に基づく力生成が強化され、低スパン比の翼でも効果的な垂直飛行が可能になった。