[논문 리뷰] A Review on Fish Swimming and Bird/Insect Flight

Theodore Y. Wu|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 09.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms참고 문헌 67인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 물고기 수영과 새·곤충 비행을 위한 통합 이론적 프레임워크를 제시하며, 비선형 비정상 비틀림체 이론과 탄성 날개 이론을 통합하여 소용돌이 역학과 에너지 보존 원리를 통해 추진력을 설명한다. 이는 오랫동안 남아있던 '물고기 수영 역설'을 해결하며, 물고기의 점성 저항이 이전에 상정된 것처럼 난류가 아니라 난류 경계층에 의해 주로 발생함을 입증함으로써 고효율 수영 메커니즘을 반동 이론과 에너지 균형 분석을 통해 검증한다.

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).

연구 동기 및 목표

• 유체역학과 생체역학을 통합하여 수중 및 공중에서의 동물 이동을 위한 통합 이론적 기초를 확립한다.
• 수영하는 물고기의 유체역학적 점성 저항이 이전에 상정된 것처럼 난류가 아니라 난류 경계층에 의해 주로 발생함을 입증함으로써 물고기 수영 역설을 해결한다.
• 새와 곤충 비행을 위한 완전히 비선형 비정상 탄성 날개 이론을 개발하고 적용하여 임의의 형상과 궤적 변화를 고려한다.
• 기후가 불리한 조건에서 주변 유동으로부터 에너지를 추출하여 추진력을 향상시킬 수 있는지를 탐색한다.
• 기계적 원리와 대사율 생물학적 데이터를 통합하여 이동 에너네틱스의 일관된 모델을 유도한다.

제안 방법

• 비정상 비틀림체 이론을 적용하여 파장이 끝으로 전파되는 탄성 리본 판의 추진력을 모델링하고 동량 및 힘 균형을 유도한다.
• 이론을 변동하는 몸체 폭, 두께 및 꼬리지의 기여를 포함하도록 확장하여 소용돌이 방출을 수반하는 실제 물고기 수영을 시뮬레이션한다.
• 임의의 형상과 운동을 갖는 2차원 날개에 대한 완전히 비선형 비정상 탄성 날개 이론을 개발하고 실험적 수직 진동 및 편평한 날개 데이터와 비교하여 검증한다.
• 곤충 비행의 기구 모델링에 앞선 가장자리 소용돌이 역학을 통합하여 비정상적 고상력 메커니즘을 설명한다.
• 반동 이론을 사용하여 추진력을 계산하고 이를 측정된 대사율과 결합하여 동물 이동의 에너지 보존을 모델링한다.
• 가속도 잠재력과 소용돌이 시트 역학을 적용하여 뒷부분의 유착 및 자유 소용돌이를 모델링하고, 쿠타 조건을 통해 연속적인 소용돌이 방출을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 비정상 비틀림체 이론은 큰 진폭의 휘두름을 보이는 물고기에서 효율적인 추진력을 어떻게 설명하는가?
• RQ2 난류 경계층은 수영하는 물고기에서 점성 저항을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가? 이는 물고기 수영 역설을 어떻게 해결하는가?
• RQ3 앞선 가장자리 소용돌이는 곤충 비행에서 고상력을 어떻게 기여하며, 날개 운동과의 동적 상호작용은 어떠한가?
• RQ4 동물은 주변 유동으로부터 에너지를 추출하여 추진력을 향상시킬 수 있는가? 이 경우 물리적 및 제어이론적 제약은 무엇인가?
• RQ5 기계적 추진력과 생물학적 대사력은 어떻게 통합되어 동물 이동의 총 에너지 보존을 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 물고기 수영 역설은 수영하는 물고기의 점성 저항이 이전에 상정된 것처럼 난류가 아니라 난류 경계층에 의해 주로 발생함을 입증함으로써 해결된다.
• 탄성 날개를 위한 비선형 비정상 이론은 수직 진동 및 편평한 날개 실험에서 추진력과 힘을 성공적으로 예측하여 정확성을 검증한다.
• 곤충 비행에서 앞선 가장자리 소용돌이는 비정상적 고상력 생성에 핵심적인 역할을 하며, 지속적인 소용돌이 부착은 양력-저항 비율을 향상시킨다.
• 동물은 소용돌이 방출과 유동장 상호작용을 통해 주변 유동으로부터 에너지를 추출할 수 있으며, 이는 난류나 불리한 조건에서의 추진력 향상 메커니즘을 시사한다.
• 반동 이론을 이용한 추진력과 측정된 대사율을 통합함으로써 이동 에너네틱스의 통합 모델이 수립되었으며, 다양한 종에서 일관된 에너지 보존이 확인되었다.
• 이론은 특정 웨이브 속도와 몸체 운동학 조건에서 최적의 수영 효율을 예측하며, 판의 웨이브 속도가 수영 속도를 초과할 경우 닫힌 소용돌이 고리가 형성됨을 예측한다.