[論文レビュー] Biologically inspired force enhancement for maritime propulsion and maneuvering

Gabriel D. Weymouth|ePrints Soton (University of Southampton)|Sep 21, 2016

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、制御された渦度操作を通じて非定常流体力の生成を最適化することにより、生物学的にインspiredな形状変化機構を提案し、高効率な海上推進および操舵を実現する。急速な形状変化—たとえば、並進する翼のフラッピング、翼の収縮、体の縮小—を活用することで、準推進効率が最大91%に達し、高速スタート時の効率が68%に達する。これは、従来の固定形状システムを著しく上回る性能である。

ABSTRACT

The move to high performance applications greatly increases the demand to produce large instantaneous fluid forces for high-speed maneuvering and improved power efficiency for sustained propulsion. Animals achieve remarkable feats of maneuvering and efficiency by changing their body shape to generate unsteady fluid forces. Inspired by this, we have studied a range of immersed bodies which drastically change their shape to produce fluid forces. These include relatively simple shape- changes, such as quickly changing the angle of attack of a foil to induce emergency stops and the use of tandem flapping foils to generate three times the average propulsive force of a single flapping foil. They also include more unconventional shape-changes such as high-speed retracting foil sections to power roll and dive maneuvers and the use of soft robotics to rapidly shrink the frontal area of an ellipsoid to power 68% efficient fast-start maneuvers or even completely cancel the drag force with 91% quasi-propulsive efficiency. These systems have been investigated with analytics, experimental measurements and immersed-boundary numerical simulations.

研究の動機と目的

• 高速操舵およびエネルギー効率性において、従来の固定翼型および固定プロペラ型海洋車両の限界を克服すること。
• 動物にインspiredされた非定常的で形状変化可能なメカニズムが、最小限のエネルギー損失で大きな流体力生成をどのように実現できるかを調査すること。
• 推力の向上、抗力の低減、および海洋用途における推進効率の向上を目的とした、単純な駆動戦略の開発と検証。
• 渦度生成と追加質量回復が、高性能な流体力生成を可能にする役割を定量化すること。

提案手法

• 流体-物体相互作用を研究するために、解析的モデル、実験的測定、および浸漬境界数値シミュレーション（Lily Pad CFDソフトウェア）を用いた。
• 移動および変形する物体の周囲の非定常流れをシミュレートするために、カルテジアングリッド上での境界データインムERSION法を採用した。
• 性能を特徴付けるために、形状変化数（Ξ）、収縮パラメータ（σ*）、ストローク数（St）、レイノルズ数（Re）などの次元なしパラメータを定義した。
• 推力の向上と力の変動低減を目的として、位相差φ = 1.75π、間隔s = 2cの並進フラッピング翼の研究を行った。
• 急速な翼のピッチアップを検討し、20%体長未満の距離で緊急停止を実現する、渦度生成による高力ブレーキングを実証した。
• 収縮可能で縮小可能な船体（例：イカにインスパイアされた車両）をモデル化し、流体の追加質量エネルギーを回収し、高推力の高速スタートを実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適化された位相差および間隔を有する並進フラッピング翼は、単一翼と比較して、推力の向上と力の変動低減を顕著に実現できるか？
• RQ2 翼のピッチアップや収縮といった急速な形状変化が、流体力生成および操舵性をどの程度向上できるか？
• RQ3 体の前面面積の縮小が、高速スタート時の流体追加質量回復および推進効率に与える影響は何か？
• RQ4 渦度の消滅または流体慣性からのエネルギー回収を用いる場合、達成可能な最大の準推進効率は何か？
• RQ5 形状変化機構は、高速および高効率領域において、従来の推進システムと同等またはそれを上回る性能を達成できるか？

主な発見

• 位相差1.75π、間隔2cの並進フラッピング翼は、単一のフラッピング翼と比較して、平均推進力が最大3倍に達した。
• 急速な翼のピッチアップにより、流線型の物体が体長の20%未満の距離で停止でき、渦度生成による高力緊急ブレーキングを実証した。
• 流線型平面形状の収縮可能翼は、逆符号の渦度を生成し、境界渦度を消滅させ、91%の準推進効率で抗力をキャンセルした。
• イカにインスパイアされた縮小可能車両は、ピーク速度2.7 m/s（10L/s）を達成し、準推進効率68%を示した。これは、真空中のロケットを上回る性能であった。
• 操舵中、収縮パラメータσ* > 77が確認され、粘性拡散が克服されており、流体追加質量エネルギーの有効な回収が可能であった。
• 運動エネルギー対ジェットパワー比は53%にピークに達し、加速系における最適エネルギー回収の理論的予測と密接に一致した。