[論文レビュー] Added costs of insect-scale flapping flight in unsteady airflows

Dmitry Kolomenskiy, Sridhar Ravi+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、非定常な気流が昆虫スケールのフラッピング飛行体に生じるボディロールが、空力的力のベクトルを再配向させ、垂直抗力を低下させ、エネルギー消費を増加させることを特定した。ロボットモデルと数値シミュレーションを用いて、高度を維持するために必要な追加の機械的パワーを定量的に評価し、乱流環境下でロール補償のためのフラッピング周波数とストローク振幅の増加がエネルギー的コストを伴う戦略であることを示した。

ABSTRACT

The aerial environment in the operating domain of small-scale natural and artificial flapping wing fliers is highly complex, unsteady and generally turbulent. Considering flapping flight in an unsteady wind environment with a periodically varying lateral velocity component, we show that body rotations experienced by flapping wing fliers result in the reorientation of the aerodynamic force vector that can render a substantial cumulative deficit in the vertical force. We derive quantitative estimates of the body roll amplitude and the related energetic requirements to maintain the weight support in free flight under such conditions. We conduct force measurements of a miniature hummingbird-inspired robotic flapper and numerical simulations of a bumblebee. In both cases, we demonstrate the loss of weight support due to body roll rotations. Using semi-restrained flight measurements, we demonstrate the increased power requirements to maintain altitude in unsteady winds, achieved by increasing the flapping frequency. Flapping fliers may increase their flapping frequency as well as the stroke amplitude to produce the required increase in aerodynamic force, both of these two types of compensatory control requiring additional energetic cost. We analyze the existing data from experiments on animals flying in von Kármán streets and find reasonable agreement with the proposed theoretical model.

研究の動機と目的

• 非定常的かつ周期的な風の流れが、小型フラッピング飛行体にボディロールを誘発し、垂直力の生成を減少させる仕組みを調査すること。
• ボディ回転によって空力的力のベクトルが再配向する場合に、体重支持を維持するためのエネルギー的コストを定量化すること。
• 垂直力不足を補うために飛行体が用いる補正制御戦略（例えば、フラッピング周波数とストローク振幅の増加）がエネルギー消費に与える影響を評価すること。
• 理論モデルを、ミツバチの数値シミュレーションおよびロボットフラッパーからの実験データと照合すること。
• 理論的予測を、フォン・カーマン渦の発生する環境下での動物飛行の既存データと比較し、観察された代謝率と整合性があるかを評価すること。

提案手法

• 非定常な流れの影響を特徴付けるために、$Tu_w$（フラッピング周波数に対する乱流強度）および$\theta_{vk}$（ボディロール角度）という次元なしのパラメータを考案した。
• 小型のトビバトにインspiredしたロボットフラッパーを用いた半拘束飛行実験を行い、非定常な風条件下での力とパワーを測定した。
• ミツバチの非定常な流れ下でのボディロールと力のベクトル再配向を解析するため、高精度な数値シミュレーションを実施した。
• ボディロール振幅と流れの非定常性、フラッピング周波数との理論的関係を導出し、ロールに起因する追加の機械的パワー要件を推定した。
• 次元解析とスケーリング則を用いて、静的および動的特性を考慮したフラッピング飛行体全体への一般化を図った。
• フォン・カーマン渦実験におけるシリンダ径、距離、流入速度の変化に伴うロール角度の依存関係に注目し、理論的予測を動物飛行の既存データと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的非定常風が小型フラッピング飛行体にボディロールを誘発するメカニズムは何か。その垂直力生成への影響は何か。
• RQ2 流れの非定常性（$Tu_w$および$\theta_{vk}$で特徴づけられる）とそれに起因するボディロール振幅との間の関数的関係は何か。
• RQ3 ボディロールが空力的力のベクトルを再配向させることに起因する場合、高度を維持するために必要な追加の機械的パワーは何か。
• RQ4 補正制御戦略（フラッピング周波数とストローク振幅の増加）が、非定常な流れ下でのエネルギー消費に与える影響は何か。
• RQ5 理論的予測によるロール角度とパワー消費の増加が、フォン・カーマン渦環境下での動物飛行実験データとどの程度整合しているか。

主な発見

• ミツバチでは最大15°、ハクモチでは最大23°のボディロールが、非定常な渦列中での飛行中に生じ、空力的力の再配向に起因する垂直力の著しい低下を引き起こした。
• ロボットフラッパー実験では、非定常な風下でロールを許容した場合、完全に固定された状態と比較して平均垂直力が最大12%低下した。
• ロボットフラッパーは、非定常な風下でも高度を維持するために、入力パワーを上昇させた。ロールに起因する力の損失を補うために、フラッピング周波数は一貫して増加した。
• ミツバチの数値シミュレーションでは、フラッピング周波数未満の周波数を有する非定常な流れが、大きなボディ回転を誘発し、顕著な垂直力不足を引き起こした。
• ロールに起因する力損失を補うために必要な追加の機械的パワーの理論的推定値は、乱流飛行中にハトの代謝率が上昇した報告と整合的であった。
• 提案されたモデルは、フォン・カーマン渦実験におけるシリンダ径、距離、流入速度の変化に応じたロール角度の傾向をうまく予測できた。