最適羽ばたき翼運動学の現象論とスケーリング

Phenomenology and scaling of optimal flapping wing kinematics.

抄録

生物の羽ばたき翼は、幅広い飛行条件下で効率的かつ頑健に動作し、技術者にとって大きなインスピレーションの源となっている。羽ばたき翼飛行の非定常空力学は、空力性能を増強する大規模な渦構造によって支配されているが、翼の作動のわずかな変化に敏感である。我々は、進化的アルゴリズムと翼根部における力とトルクの計測の助けを借りて、ストローク平均揚力とホバリング効率を最大化するために、ホバリング中の羽ばたき翼システムのピッチ角運動学を実験的に最適化する。パレート最適キネマティクスを実現するために、渦流構造を空力性能に関連付ける流れ場計測を追加で実施。最大ストローク平均揚力係数をもたらす最適化されたピッチ角プロファイルは、台形形状と高い平均迎角を持っている。これらのキネマティクスは、サイクルの初期に強い前縁渦を発生させ、翼への力の発生を高める。最も効率的なピッチ角運動特性は、正弦波運動に似ており、平均迎角が低い。リーディングエッジの渦は成長が遅く、ストロークサイクルの大半を通じて翼に密着している。これにより、より少ない空力パワーでホバリング効率が93％向上するが、その過程で最大揚力の43％が犠牲になる。すべての場合において、前縁渦は前縁せん断層を通して渦度によって供給されるため、せん断層速度は渦の成長と空力力への影響を示す良い指標となる。我々は、入力運動学のみから前縁のせん断層速度を推定し、それを循環と空力力の平均と時間分解進化のスケールに使用する。実験データはせん断層速度の予測値とよく一致し、せん断層速度は羽ばたき翼のホバリング運動の空力性能を定量化し予測するための有望な指標となる。

Biological flapping wing fliers operate efficiently and robustly in a wide range of flight conditions and are a great source of inspiration to engineers. The unsteady aerodynamics of flapping wing flight are dominated by large-scale vortical structures that augment the aerodynamic performance but are sensitive to minor changes in the wing actuation. We experimentally optimise the pitch angle kinematics of a flapping wing system in hover to maximise the stroke average lift and hovering efficiency with the help of an evolutionary algorithm andforce and torque measurements at the wing root. Additional flow field measurements are conducted to link the vortical flow structures to the aerodynamic performance for the Pareto-optimal kinematics. The optimised pitch angle profiles yielding maximum stroke-average lift coefficients have trapezoidal shapes and high average angles of attack. These kinematics create strong leading-edge vortices early in the cycle which enhance the force production on the wing. The most efficient pitch angle kinematics resemble sinusoidal evolutions and have lower average angles of attack. The leading-edge vortex grows slower and stays close-bound to the wing throughout the majority of the stroke-cycle. This requires less aerodynamic power and increases the hovering efficiency by 93% but sacrifices 43% of the maximum lift in the process. In all cases, a leading-edge vortex is fed by vorticity through the leading edge shear layer which makes the shear layer velocity a good indicator for the growth of the vortex and its impact on the aerodynamic forces. We estimate the shear layer velocity at the leading edge solely from the input kinematics and use it to scale the average and the time-resolved evolution of the circulation and the aerodynamic forces. The experimental data agree well with the shear layer velocity prediction, making it a promising metric to quantify and predict the aerodynamic performance of the flapping wing hovering motion.