Ailes de libellule utilisées pour étudier la relation entre la structure des ailes ondulées et les mouvements de vortex

Leurs travaux ont été publiés dans la revue Fluides d'examen physique le 7 décembre 2023.

Les chercheurs ont cherché à déterminer si l'ondulation de l'aile d'une libellule est un ingrédient secret pour augmenter la portance. Alors que les recherches antérieures se sont largement concentrées sur le flux constant autour de l'aile lors du mouvement vers l'avant, l'impact des tourbillons engendrés par sa structure ondulée sur la portance est resté un mystère.

Les surfaces des ailes des insectes comme les libellules, les cigales et les abeilles ne sont pas plates comme les ailes d’un avion de ligne. Les ailes des insectes sont composées de nerfs et de membranes, et leurs formes transversales sont constituées de sommets (nerfs) et de segments de ligne (membranes). La géométrie de la forme apparaît comme une connexion d'objets en forme de V ou d'autres formes.

Des études antérieures ont montré que les ailes ondulées, avec leurs crêtes et leurs rainures, ont de meilleures performances aérodynamiques que les ailes lisses à faible nombre de Reynolds. En aérodynamique, le nombre de Reynolds est une quantité qui permet de prédire le modèle d'écoulement des fluides. Les études aérodynamiques antérieures sur les ailes ondulées ont contribué à des applications dans les petits robots volants, les drones et les éoliennes. Étant donné que les insectes possèdent une faible force musculaire, leurs ailes ondulées doivent, d’une manière ou d’une autre, leur conférer des avantages aérodynamiques. Pourtant, les scientifiques n’ont pas entièrement compris le mécanisme à l’œuvre en raison de la structure complexe des ailes et des caractéristiques d’écoulement.

Les chercheurs ont utilisé des calculs numériques directs pour analyser l’écoulement autour d’une aile ondulée bidimensionnelle et ont comparé les performances de l’aile ondulée à celles d’une aile plate. Ils ont concentré leur étude sur la période entre la génération initiale du vortex de pointe et les interactions ultérieures avant le détachement. Ils ont découvert que les performances de l'aile ondulée étaient meilleures lorsque l'angle d'attaque, l'angle auquel le vent rencontre l'aile, était supérieur à 30°.

La structure inégale de l'aile ondulée génère une portance instable en raison de structures d'écoulement complexes et de mouvements vortex. “Nous avons découvert un mécanisme de levage propulsé par une danse de flux d'air unique déclenchée par une structure ondulée distincte. Cela peut changer la donne par rapport au simple scénario d'aile en plaque !” a déclaré Yusuke Fujita, doctorant à la Graduate School of Integrated Sciences for Life de l'Université d'Hiroshima.

Les chercheurs ont construit un modèle bidimensionnel d’aile ondulée en utilisant une aile de libellule réelle. Le modèle consistait en des structures ondulées plus profondes du côté du bord d’attaque et des structures moins profondes ou plus plates du côté du bord de fuite. En utilisant leur modèle bidimensionnel, ils ont encore simplifié le mouvement des ailes et se sont concentrés sur la génération de portance instable par translation depuis le repos. Le mouvement de translation, ou mouvement de glissement, est une composante principale du mouvement des ailes, en plus du tangage et de la rotation. L'analyse des chercheurs élargit la compréhension des mécanismes non stationnaires utilisés par les libellules pendant leur vol.

L’équipe de recherche a considéré des modèles bidimensionnels dans son étude. Cependant, leurs travaux se sont concentrés sur l’aérodynamique du vol des insectes, où le flux est généralement tridimensionnel. “Si ces résultats sont étendus à un système tridimensionnel, nous espérons acquérir davantage de connaissances pratiques pour comprendre le vol des insectes et ses applications dans l'industrie”, a déclaré Makoto Iima, professeur à la Graduate School of Integrated Sciences for Life de l'Université d'Hiroshima. .

Pour l’avenir, les chercheurs concentreront leurs recherches sur des modèles tridimensionnels. “Nous avons démarré les choses avec un modèle d'aile ondulée bidimensionnelle dans une soudaine explosion de mouvement. Maintenant, nous nous lançons dans la quête d'explorer l'augmentation de la portance à travers une plus large gamme de formes et de mouvements d'ailes. Notre objectif ultime est de créer un nouveau aile bio-inspirée avec de hautes performances grâce à notre mécanisme d'amélioration de la portance”, a déclaré Fujita.

L'équipe de recherche comprend Yusuke Fujita, doctorant, et Makoto Iima, professeur, tous deux de la Graduate School of Integrated Sciences for Life de l'Université d'Hiroshima. Leurs recherches sont financées par la Société japonaise pour la promotion de la science KAKENHI et la Fondation SECOM pour la science et la recherche.