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物理学 > 流体动力学

arXiv:2501.02034 (physics)
[提交于 2025年1月3日 (v1) ,最后修订 2025年4月7日 (此版本, v2)]

标题: 蝙蝠启发机翼的耦合气动结构动力学计算建模与分析

标题: Computational Modeling and Analysis of the Coupled Aero Structural Dynamics in Bat Inspired Wings

Authors:Sushrut Kumar, Jung-Hee Seo, Rajat Mittal
摘要: 我们采用一种新颖的计算建模框架,对蝙蝠仿生膜翼中的气动-结构相互作用进行高保真直接数值模拟。 蝙蝠的翅膀由一个由高度灵活的骨骼支撑的弹性膜组成,这使得在飞行过程中能够对翅膀运动和变形进行局部控制。 通过建模这些复杂的变形,以及现实的翅膀运动和与周围气流的相互作用,我们期望获得关于这些独特翅膀性能的新见解。 我们的模型通过结合骨骼关节运动的实验测量数据来指导流体-结构相互作用模拟,从而实现了高度的真实感。 模拟结果显示,翅膀的不同部分经历不同的气动弹性变形,影响流动动力学和空气动力载荷。 具体而言,模拟显示翅膀在不同部分和区域生成升力、阻力和推力的效率存在显著差异。 我们采用一种力分解方法来分析翅膀上压力载荷的因果关系,证明涡旋引起的压力力占主导地位,而附加质量对空气动力载荷的贡献则很小。 这种方法还阐明了各种流动结构在塑造压力分布中的作用。 最后,我们将完全灵活的蝙蝠翅膀与由相同运动学得出的等效刚性翅膀进行比较,证明翅膀的关节结构和变形对空气动力效率有关键影响。
摘要: We employ a novel computational modeling framework to perform high-fidelity direct numerical simulations of aero-structural interactions in bat-inspired membrane wings. The wing of a bat consists of an elastic membrane supported by a highly articulated skeleton, enabling localized control over wing movement and deformation during flight. By modeling these complex deformations, along with realistic wing movements and interactions with the surrounding airflow, we expect to gain new insights into the performance of these unique wings. Our model achieves a high degree of realism by incorporating experimental measurements of the skeleton's joint movements to guide the fluid-structure interaction simulations. The simulations reveal that different segments of the wing undergo distinct aeroelastic deformations, impacting flow dynamics and aerodynamic loads. Specifically, the simulations show significant variations in the effectiveness of the wing in generating lift, drag, and thrust forces across different segments and regions of the wing. We employ a force partitioning method to analyze the causality of pressure loads over the wing, demonstrating that vortex-induced pressure forces are dominant while added mass contributions to aerodynamic loads are minimal. This approach also elucidates the role of various flow structures in shaping pressure distributions. Finally, we compare the fully articulated, flexible bat wing to equivalent stiff wings derived from the same kinematics, demonstrating the critical impact of wing articulation and deformation on aerodynamic efficiency.
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主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:2501.02034 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2501.02034v2 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.02034
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Sushrut Kumar [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 1 月 3 日 09:54:11 UTC (131,014 KB)
[v2] 星期一, 2025 年 4 月 7 日 19:55:57 UTC (39,930 KB)
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