Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5494
Main Title: Numerical modeling of fluid-structure interaction in bio-inspired propulsion
Translated Title: Numerische Modellierung der Fluid-Struktur-Wechselwirkungen in biologisch inspirierter Propulsion
Author(s): Engels, Thomas
Advisor(s): Schneider, Kai
Sesterhenn, Jörn
Referee(s): Liu, Hao
Iollo, Angelo
Lehmann, Fritz-Olaf
Farge, Marie
Kolomenskiy, Dmitry
Schneider, Kai
Sesterhenn, Jörn
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Flying and swimming animals have developed efficient ways to produce the fluid flow that generates the desired forces for their locomotion. These bio-inspired problems couple fluid dynamics and solid mechanics with complex geometries and kinematics. The present thesis is placed in this interdisciplinary context and uses numerical simulations to study these fluid–structure interaction problems with applications in insect flight and swimming fish. Based on existing work on rigid moving obstacles, using an efficient Fourier discretization, a numerical method has been developed, which allows the simulation of flexible, deforming obstacles as well, and provides enhanced versatility and accuracy in the case of rigid obstacles. The method relies on the volume penalization method and the fluid discretization is still based on a Fourier discretization. The code, designed to run on massively parallel supercomputers, is entirely open source and freely available on the internet. We first apply this method to insects with rigid wings, where the body and other details, such as the legs and antennae, can be included. After presenting detailed validation tests, we proceed to studying a bumblebee model in fully developed turbulent flow. Our simulations show that turbulent perturbations affect flapping insects in a different way than human-designed fixed-wing aircrafts. While in the latter, upstream perturbations can cause transitions in the boundary layer, the former do not present systematical changes in aerodynamic forces. We conclude that insects rather face control problems in a turbulent environment than a deterioration in force production. In the next step, we design a solid model, based on a one–dimensional beam equation, and simulate coupled fluid–solid systems. Applications deal, in a two-dimensional setup, with insect flight, but also with simplified three–dimensional models for swimming fish. In these 'swimmers', consisting of a flexible plate with one rigid direction, we study the influence of the shape on the hydrodynamic efficiency. A contracting shape, as found in some amphibians, is found to swim faster and require less power than an expanding shape, which is more similar to most caudal fins observed in fish. We present evidence that this finding can be explained by a favorable interaction with the tip-vortices in the case of the contracting shape.
Fliegende und schwimmende Tiere haben im Laufe ihrer Evolution effiziente Wege gefunden, die Strömung zu erzeugen die die gewünschten Kräfte für ihre Fortbewegung produziert. Diese biologisch inspirierten Probleme koppeln Fluiddynamik mit Festkörpermechanik und komplexer Geometrie und Kinematik. Die vorliegende Arbeit ist in diesem interdisziplinären Kontext platziert und verwendet numerische Simulationen, um solche Fluid–Struktur Wechselwirkungsprobleme zu studieren, und sie auf den Insektenflug und schwimmende Fische anzuwenden. Basierend auf vorhergehenden Arbeiten zu starren, sich bewegenden Hindernissen, basierend auf einer effizienten Fourier Diskretisierung, wurde eine numerische Methode entwickelt, die die Simulation von flexiblen, verformbaren Hindernissen ermöglicht, und im Fall starrer Körper eine verbesserte Vielseitigkeit und Genauigkeit bietet. Das Verfahren beruht auf der “Volume Penalization Method” und die Diskretisierung des Fluides ist immer noch auf einer Fourier Diskretisierung basiert. Der Code, ausgelegt für massiv parallele Supercomputer, ist komplett quelloffen und im Internet frei verfügbar. Zunächst wenden wir diese Methode auf Insekten mit starren Flügeln an, wobei der Körper und andere Details, wie die Beine und Fühler, mit einbezogen werden können. Anschließend an detaillierte Validierungstests gehen wir zum Studium einer Modellhummel in voll entwickelter turbulenter Strömung über. Unsere Simulationen zeigen, dass turbulente Störungen flatternde Insekten in einer fundamental anderen Weise als menschengemachte Starrflügler beeinflussen können. Während in letzteren stromaufwärts eingebrachte Störungen Transitionen in der Grenzschicht verursachen können, zeigen erstere keine signifikanten und systematischen Änderungen in ihren aerodynamischen Kräften. Wir schließen daraus, dass Insekten in turbulenten Strömungen eher mit erhöhten Kontrollanforderungen konfrontiert werden als mit einer Beeinträchtigung in der Produktion ihrer Auftriebskräfte. Im nächsten Schritt entwickeln wir ein mechanisches Modell, basierend auf einer eindimensionalen Balkengleichung für große Verformungen, und Simulieren gekoppelte Fluid-Struktur Systeme. Anwendungen behandeln, in zweidimensionalen Konfigurationen, Modelle für den Insektenflug, aber auch dreidimensionale Modelle von schwimmenden Fischen. Bei diesen "Schwimmern", bestehend aus einer flexiblen Platte mit einer starren Richtung, untersuchen wir den Einfluss der Form auf der hydrodynamischen Effizienz. Wir finden dass eine kontrahierende Form, wie sie in einigen Amphibien gefunden wird, schneller schwimmt und weniger Energie benötigt als eine expandierende Form, die mehr Ähnlichkeit mit den in den meisten Fischen beobachteten Schwanzflossen hat. Wir präsentieren Hinweise, dass dieser Umstand durch eine günstige Wechselwirkung der Kantenwirbel mit der Struktur im Falle der kontrahierenden Form erklärt werden kann.
Les animaux volants et flottants ont développé des façons efficaces de produire l'écoulement de fluide qui génère les forces désirées pour leur locomotion. Ces problèmes “bio-inspirés” couplent la dynamique des fluides avec la mécanique des solides, y compris des géométries et cinématiques complexes. Cette thèse est placée dans ce contexte interdisciplinaire et utilise des simulations numériques pour étudier ces problèmes d'interaction fluides-structure, et les applique au vol des insectes et à la nage des poissons. Basée sur les travaux existants sur les obstacles mobiles rigides, utilisant une discrétisation de Fourier efficace, une méthode numérique a été développée, permettant également la simulation des obstacles déformables et fournissant une polyvalence et précision accrues dans le cas des obstacles rigides. L'algorithme se repose sur la méthode de pénalisation volumique et la discrétisation fluide est toujours basée sur une discrétisation de Fourier. Le code, conçu pour fonctionner sur des supercalculateurs massivement parallèles, est entièrement open source et disponible librement sur internet. Nous appliquons cette méthode d'abord aux insectes avec des ailes rigides, où le corps et d'autres détails, tels que les pattes et les antennes, peuvent être inclus. Après la présentation de tests de validation détaillée, nous procédons à l'étude d'un modèle de bourdon dans un écoulement turbulent pleinement développé. Nos simulations montrent que les perturbations turbulentes affectent les insectes volants d'une manière différente de celle des avions aux ailes fixées et conçues par l'humain. Dans le cas de ces derniers, des perturbations en amont peuvent déclencher des transitions dans la couche limite, tandis que les premiers ne présentent pas de changements systématiques dans les forces aérodynamiques. Nous concluons que les insectes se trouvent plutôt confrontés à des problèmes de contrôle dans un environnement turbulent qu'à une détérioration de la production de force. Lors de l‘étape suivante, nous concevons un modèle solide, basé sur une équation de barre monodimensionnelle, et nous passons à la simulation des systèmes couplés fluide–structure. Les applications concernent d'abord des configurations en deux dimensions spatiales, spécifiques au vol de l'insecte, mais aussi des modèles tridimensionnels représentant la nage des poissons. Avec ces 'nageurs', constitués d'une plaque flexible avec une direction rigide, nous étudions l'influence de la forme sur l'efficacité hydrodynamique. Nous concluons qu’une forme contractée, c'est-à-dire une silhouette élargie à la tête et qui s’affine à la queue, que l'on trouve dans certains amphibiens, est plus efficace et permet une nage plus rapide qu'une forme exponentielle, qui est pourtant plus similaire à la plupart des nageoires caudales observées chez les poissons. Nous présentons des preuves que cet effet peut être expliqué par une interaction favorable des vortex de bord avec la plaque dans le cas de la forme contractée.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5901
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5494
Exam Date: 10-Dec-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 15-Sep-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::500 Naturwissenschaften::500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): numerical simulation
turbulence
insect flight
biomimetic
numerische Simulation
Turbulenz
Insektenflug
Biomimetismus
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
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