[論文レビュー] On the propulsive performance of pitching flexible plates with varying flexibility and trailing edge shapes

Guojun Li, Gaël Kemp+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 63被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、変動する後縁角（45°、90°、135°）と柔軟性を有する3次元ピッチング可撓性プレートの推進性能を調査し、最適な推力は周波数比 f* = 1（共鳴）付近で発生するのに対し、最高効率は f* = 1.54 で達成されることを明らかにした。凸型後縁を有する中程度から高い剛性のプレートは、圧力勾配の再配分とヴォルテックスダイナミクスによる動量移動の改善により、推力と効率を向上させる。

ABSTRACT

In this paper, we numerically investigate the propulsive performance of three-dimensional pitching flexible plates with varying flexibility and trailing edge shapes. To eliminate the effect of other geometric parameters, only the trailing edge angle is varied from 45° (concave), 90° (rectangular) to 135° (convex) while maintaining the constant area of the flexible plate. We examine the impact of the frequency ratio f* defined as the ratio of the natural frequency of the flexible plate to the actuated pitching frequency. Through our numerical simulations, we find that the global maximum mean thrust occurs near f*=1 corresponding to the resonance condition. However, the optimal propulsive efficiency is achieved around f*=1.54 instead of the resonance condition. While the convex plate with low and high bending stiffness values shows the best performance, the rectangular plate with moderate bending stiffness is the most efficient propulsion configuration. Through dynamic mode decomposition, we find that the passive deformation can help in redistributing the pressure gradient thus improving the efficiency and thrust production. A momentum-based thrust evaluation approach is adopted to link the instantaneous vortical structures with the time-dependent thrust. When the vortices detach from the trailing edge, the instantaneous thrust shows the largest values due to the strong momentum change and convection process. Moderate flexibility and convex shape help transfer momentum to the fluid, thereby improving thrust generation and promoting the transition from drag to thrust. The increase of the trailing edge angle can broaden the range of flexibility that produces positive mean thrust.

研究の動機と目的

• 後縁形状と柔軟性が3次元ピッチング可撓性プレートの推進性能に与える影響を分析すること。
• プレート面積を一定に保ちながら、後縁角（45°、90°、135°）の影響を分離して分析すること。
• 最大推力と効率を達成するための最適な周波数比 f*（固有振動数と駆動周波数の比）を特定すること。
• 被動的変形が圧力勾配の再配分と動量移動に果たす役割を理解すること。
• 動量に基づく評価法を用いて、瞬間的推力とヴォルテックス構造ダイナミクスの関係を特定すること。

提案手法

• 固定面積の3次元可撓性プレートを用いた数値シミュレーションを実施し、後縁角を変化させる。
• 周波数比 f* を体系的に変化させ、推力と効率への影響を評価する。
• 流れの構造と変形ダイナミクスを分析するために動的モード分解（DMD）を適用する。
• 時間依存の推力をヴォルテックスの放出および伝搬と関連付けるために、動量に基づく推力評価法を用いる。
• プレートを制御された周波数でピッチング運動に駆動し、曲げ剛性を調整することで柔軟性を制御する。
• 他のすべてのパラメータを一定に保つことで、幾何的および動的要因の影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 後縁角（45°、90°、135°）は、可撓性プレートの平均推力と推進効率にどのように影響するか？
• RQ2 ピッチング可撓性プレートの推力と効率を最大化するための最適な周波数比 f* は何か？
• RQ3 被動的変形は、圧力勾配分布と動量移動にどのように影響するか？
• RQ4 ヴォルテックスの分離と瞬間的推力生成の間にどのような関係があるか？
• RQ5 柔軟性と後縁形状のどの組み合わせが、推力と効率の観点で最高の性能を発揮するか？

主な発見

• 全般的な平均推力の最大値は、f* = 1 付近で発生し、これは共鳴条件に対応する。
• 最適な推進効率は f* = 1.54 で達成され、共鳴とは異なる。
• 低剛性および高剛性の曲げ剛性を有する凸型プレート（135°）が、最も優れた推力性能を示した。
• 中程度の曲げ剛性を有する長方形プレート（90°）が、最高の推進効率を達成した。
• 被動的変形により圧力勾配が再配分され、推力と効率の両方が向上した。
• 後縁角を大きくすることで、正の平均推力を発生させる柔軟性の範囲が広がった。