[論文レビュー] A Review on Fish Swimming and Bird/Insect Flight

Theodore Y. Wu|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 67被引用数 5

ひとこと要約

本レビューでは、魚の泳ぎと鳥・昆虫の飛行を統合した理論的枠組みを提示し、非線形非定常な細長い体および柔軟な翼の理論を統合することで、渦の力学とエネルギー保存則を用いて推進を説明する。『魚の泳ぎのパラドックス』は、魚の粘性抗力がもはや乱流ではなく層流境界層に起因することを示すことによって解消され、反作用理論とエネルギーバランス解析によって高効率な泳ぎのメカニズムが裏付けられる。

ABSTRACT

This expository review is devoted to fish swimming and bird/insect flight. (i) The simple waving motion of an elongated flexible ribbon plate of constant width, immersed in a fluid at rest, propagating a wave distally down the plate to swim forward is first considered to provide a fundamental concept on energy conservation. It is generalized to include variations in body width and thickness, vortex shedding from appended dorsal, ventral and caudal fins to closely simulate fish swimming for which a nonlinear theory is presented for large-amplitude propulsion. (ii) For bird flight, the pioneering studies on oscillating rigid wings are briefed, followed by presenting a nonlinear unsteady theory for flexible wing with arbitrary variations in shape and trajectory with a comparative study with experiments. (iii) For insect flight, more recent advances are reviewed under aerodynamic theory and modeling, computational methods, and experiments, on forward and hovering flights with producing leading-edge vortex to give unsteady high lift. (iv) Prospects are explored on extracting intrinsic flow energy by fish and bird to gain thrust for propulsion. (v) The mechanical and biological principles are drawn together for unified studies on the energetics in deriving metabolic power for animal locomotion, leading to a surprising discovery that the hydrodynamic viscous drag on swimming fish is largely associated with laminar boundary layers, thus drawing valid and sound evidences for a resolution to the fish-swim paradox proclaimed by Gray (1936, 1968).

研究の動機と目的

• 流体力学と生物力学を統合することで、水中および空気中における動物の運動の統一的理論的基盤を確立すること。
• 魚の泳ぎのパラドックスを解消することを目的とし、泳ぎの魚における流体の粘性抗力が、従来の仮定とは異なり乱流ではなく層流境界層に起因することを示すこと。
• 任意の形状および運動軌道の変化を考慮した、完全な非線形非定常な柔軟な翼理論を構築・適用すること。
• 動物が周囲の流れからエネルギーを抽出し、不利な条件下での推進力を向上させることの可能性を調査すること。
• 機械的原理と代謝率の生物学的データを統合し、運動エネルギーの整合的モデルを導出すること。

提案手法

• 非定常な細長い体理論を用いて、先端方向に波が伝播する柔軟なリボン板の推進をモデル化し、運動量とパワーのバランスを導出する。
• 理論を拡張し、変化する体の幅、厚さ、および fins の寄与を含め、渦の剥離を再現する現実的な魚の泳ぎをシミュレートする。
• 任意の形状と運動を有する2次元翼の完全な非線形非定常な柔軟な翼理論を開発し、実験的な上下運動およびピッチング翼型のデータと照合して検証する。
• 昆虫飛行の空気力学的モデルに先端縁渦のダイナミクスを統合し、非定常的な高揚力発生メカニズムを説明する。
• 反作用理論を用いて推力の計算を行い、測定された代謝率と組み合わせて動物の運動におけるエネルギー保存をモデル化する。
• 加速度ポテンシャルと渦シートのダイナミクスを用いて、尾跡における閉じた渦と自由渦をモデル化し、Kutta 条件によって連続的な渦の剥離を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形非定常な細長い体理論は、大きな振幅のうねりを示す魚の効率的推進をどのように説明するか？
• RQ2 層流境界層は泳ぎの魚における粘性抗力の発生に果たす役割は何か？ そして、これは魚の泳ぎのパラドックスをどのように解消するか？
• RQ3 先端縁渦は昆虫飛行における高揚力にどのように寄与するか？ また、翼の運動とのダイナミカルな相互作用はどのようなものか？
• RQ4 動物は周囲の流体の流れからエネルギーを抽出し、推力を強化できるか？ その物理的および制御理論的制約は何か？
• RQ5 機械的推力と生物学的代謝パワーを統合することで、動物の運動における全エネルギー保存をどのようにモデル化できるか？

主な発見

• 魚の泳ぎのパラドックスは、泳ぎの魚における粘性抗力が主に層流境界層に起因することを示すことによって解消され、従来の仮定とは逆である。
• 柔軟な翼のための非線形非定常理論は、上下運動およびピッチング翼型の実験において、推力とパワーを正確に予測でき、その正確性が裏付けられた。
• 昆虫飛行における先端縁渦は、非定常的高揚力発生に不可欠であることが示され、持続的な渦の付着が揚力対抗力比の向上に寄与する。
• 動物は渦の剥離と尾跡との相互作用を通じて、周囲の流れからエネルギーを抽出できる可能性があり、これは乱流や悪条件下での推進力の向上を示唆するメカニズムである。
• 反作用理論による推力と測定された代謝率を統合することで、動物の運動エネルギーの統一的モデルが確立され、種間をまたがる一貫性のあるエネルギー保存が示された。
• 理論は、特定の波の速度と体の運動学的条件において最適な泳ぎの効率を予測し、板の波の速度が泳ぎの速度を上回る場合に閉じた渦のループが形成されることを予測する。