После внезапного старта в дело вступает обдув крыла. Красные и синие области показывают положительную и отрицательную завихренность, обозначая потоки против и по часовой стрелке. Кривые изображают линии тока. Гофрированная структура возле переднего края разрушает важнейшую красную структуру, которая играет ключевую роль в повышении подъемной силы.
Фото: Юсуке Фудзита/Университет Хиросимы.

Исследователи задались целью определить, является ли гофрировка крыла стрекозы секретным ингредиентом для увеличения подъемной силы. В то время как прошлые исследования в основном фокусировались на устойчивом обтекании крыла во время движения вперед, влияние вихрей, порожденных его гофрированной структурой, на подъемную силу, остается загадкой.

Поверхности крыльев насекомых, таких как стрекозы, цикады и пчелы, не такие плоские, как крылья пассажирского самолета. Крылья насекомых состоят из нервов и оболочек, а их поперечное сечение состоит из вершин (нервов) и отрезков линий (мембран). Геометрия формы проявляется как соединение предметов V-образной или другой формы.

Более ранние исследования показали, что гофрированные крылья с их гребнями и канавками имеют лучшие аэродинамические характеристики, чем гладкие крылья при низких числах Рейнольдса. В аэродинамике число Рейнольдса — это величина, которая помогает предсказать характер течения жидкостей.

Более ранние аэродинамические исследования гофрированных крыльев способствовали их применению в небольших летающих роботах, дронах и ветряных мельницах. Поскольку насекомые обладают низкой мышечной силой, их гофрированные крылья должны каким-то образом давать им аэродинамические преимущества. Тем не менее, ученые не до конца поняли механизм работы из-за сложной структуры крыла и характеристик потока.

Исследователи использовали прямые численные расчеты для анализа обтекания двумерного гофрированного крыла и сравнили характеристики гофрированного крыла с характеристиками плоского крыла. Они сосредоточили свое исследование на периоде между первоначальной генерацией переднего вихря и последующими взаимодействиями перед его отделением.

Они обнаружили, что характеристики гофрированного крыла были лучше, когда угол атаки, то есть угол, под которым ветер встречает крыло, был больше 30°.

Неровная структура гофрированного крыла создает нестационарную подъемную силу из-за сложной структуры потока и вихревых движений. «Мы обнаружили подъемный механизм, приводимый в действие уникальным танцем воздушного потока, вызываемым отчетливой гофрированной структурой. Это может изменить правила игры по сравнению с простым сценарием с пластинчатым крылом», — сказал Юсуке Фудзита, доктор философии, студент Высшей школы интегрированных наук о жизни Университета Хиросимы.

Исследователи построили двухмерную модель гофрированного крыла, используя реальное крыло стрекозы. Модель состояла из более глубоких гофрированных структур на передней кромке и менее глубоких или более плоских структур на задней кромке.

Используя свою двумерную модель, они еще больше упростили движение крыла и сосредоточились на создании нестационарной подъемной силы за счет перевода крыла из состояния покоя. Поступательное движение, или скользящее движение, является основным компонентом движения крыла, помимо тангажа и вращения. Анализ исследователей расширяет понимание нестационарных механизмов, которые стрекозы используют во время полета.

В своем исследовании исследовательская группа рассматривала двумерные модели. Однако их работа была сосредоточена на аэродинамике полета насекомых, где поток обычно трехмерный.

«Если эти результаты расширить до трехмерной системы, мы ожидаем получить больше практических знаний для понимания полета насекомых и его применения в промышленности», — сказал Макото Иима, профессор Высшей школы интегрированных наук о жизни Университета Хиросимы. .

В будущем исследователи сосредоточат свои исследования на трехмерных моделях. «Мы начали работу с двухмерной модели гофрированного крыла с внезапным всплеском движения. Теперь мы приступаем к исследованию подъемной силы в более широком диапазоне форм и движений крыла. Наша конечная цель — создание нового био-крыло с высокими характеристиками благодаря нашему механизму повышения подъемной силы», — сказал Фудзита.