Engels, Thomas, Technical University of Berlin / Technische Universität Berlin (TU), Aix Marseille Université (AMU), Aix-Marseille Université, Technische Universität Berlin, Kai Schneider, Jörn Sesterhenn, Technische Universität Berlin (TU), Engels, Thomas, Schneider, Kai, Sesterhenn, Jörn, Liu, Hao, Iollo, Angelo, Lehmann, Fritz-Olaf, Farge, Marie, and Kolomenskiy, Dmitry
Fliegende und Schwimmende Tiere haben im Laufe ihrer Evolution effizienteWege gefunden, die Strömung zu erzeugen die die gewünschten Kräfte für ih-re Fortbewegung produziert. Diese biologisch inspirierten Probleme koppelnFluiddynamik mit Festkörpermechanik und komplexer Geometrie und Kine-matik. Die vorliegende Arbeit ist in diesem interdisziplinären Kontext platziertund verwendet numerische Simulationen, um solche Fluid–Struktur Wechsel-wirkungsprobleme zu studieren, und sie auf den Insektenflug und schwim-mende Fische anzuwenden. Basierend auf vorhergehenden Arbeiten zu star-ren, sich bewegenden Hindernissen, basierend auf einer effizienten FourierDiskretisierung, wurde eine numerische Methode entwickelt, die die Simula-tion von flexiblen, verformbaren Hindernissen ermöglicht, und im Fall starrerKörper eine verbesserte Vielseitigkeit und Genauigkeit bietet. Das Verfahrenberuht auf der “Volume Penalization Method” 1 und die Diskretisierung desFluides ist immer noch auf einer Fourier Diskretisierung basiert. Der Code,ausgelegt für massiv parallele Supercomputer, ist komplett quelloffen und imInternet frei verfügbar. Zunächst wenden wir diese Methode auf Insekten mitstarren Flügeln an, wobei der Körper und andere Details, wie die Beine undFühler, mit einbezogen werden können. Anschließend an detaillierte Validie-rungstests gehen wir zum Studium einer Modellhummel in voll entwickelterturbulenter Strömung über. Unsere Simulationen zeigen, dass turbulente Stö-rungen flatternde Insekten in einer fundamental anderen Weise als menschen-gemachte Starrflügler beeinflussen können. Während in letzteren stromauf-wärts eingebrachte Störungen Transitionen in der Grenzschicht verursachenkönnen, zeigen erstere keine signifikanten und systematischen Änderungen inihren aerodynamischen Kräften. Wir schließen daraus, dass Insekten in tur-bulenten Strömungen eher mit erhöhten Kontrollanforderungen konfrontiertwerden als mit einer Beeinträchtigung in der Produktion ihrer Auftriebskräf-te. Im nächsten Schritt entwickeln wir ein mechanisches Modell, basierendauf einer eindimensionalen Balkengleichung für große Verformungen, undSimulieren gekoppelte Fluid-Struktur Systeme. Anwendungen behandeln, inzweidimensionalen Konfigurationen, Modelle für den Insektenflug, aber auchdreidimensionale Modelle von schwimmenden Fischen. Bei diesen "Schwim-mern", bestehend aus einer flexiblen Platte mit einer starren Richtung, un-tersuchen wir den Einfluss der Form auf der hydrodynamischen Effizienz. Wirfinden dass eine kontrahierende Form, wie sie in einigen Amphibien gefundenwird, schneller schwimmt und weniger Energie benötigt als eine expandieren-de Form, die mehr Ähnlichkeit mit den in den meisten Fischen beobachtetenSchwanzflossen hat. Wir präsentieren Hinweise, dass dieser Umstand durcheine günstige Wechselwirkung der Kantenwirbel mit der Struktur im Falle derkontrahierenden Form erklärt werden kann., Flying and swimming animals have developed efficient ways to produce thefluid flow that generates the desired forces for their locomotion. These bio-inspired problems couple fluid dynamics and solid mechanics with complexgeometries and kinematics. The present thesis is placed in this interdisci-plinary context and uses numerical simulations to study these fluid–structureinteraction problems with applications in insect flight and swimming fish.Based on existing work on rigid moving obstacles, using an efficient Fourierdiscretization, a numerical method has been developed, which allows the sim-ulation of flexible, deforming obstacles as well, and provides enhanced ver-satility and accuracy in the case of rigid obstacles. The method relies on thevolume penalization method and the fluid discretization is still based on aFourier discretization. The code, designed to run on massively parallel super-computers, is entirely open source and freely available on the internet. Wefirst apply this method to insects with rigid wings, where the body and otherdetails, such as the legs and antennae, can be included. After presenting de-tailed validation tests, we proceed to studying a bumblebee model in fullydeveloped turbulent flow. Our simulations show that turbulent perturbationsaffect flapping insects in a different way than human-designed fixed-wing air-crafts. While in the latter, upstream perturbations can cause transitions in theboundary layer, the former do not present systematical changes in aerody-namic forces. We conclude that insects rather face control problems in a tur-bulent environment than a deterioration in force production. In the next step,we design a solid model, based on a one–dimensional beam equation, andsimulate coupled fluid–solid systems. Applications deal, in a two-dimensionalsetup, with insect flight, but also with simplified three–dimensional modelsfor swimming fish. In these ’swimmers’, consisting of a flexible plate with onerigid direction, we study the influence of the shape on the hydrodynamic efficiency. A contracting shape, as found in some amphibians, is found to swimfaster and require less power than an expanding shape, which is more similarto most caudal fins observed in fish. We present evidence that this finding canbe explained by a favorable interaction with the tip-vortices in the case of thecontracting shape., Les animaux volants et flottants ont développé des façons efficaces de pro-duire l’écoulement de fluide qui génère les forces désirées pour leur locomo-tion. Ces problèmes “bio-inspirés” couplent la dynamique des fluides avec lamécanique des solides, y compris des géométries et cinématiques complexes.Cette thèse est placée dans ce contexte interdisciplinaire et utilise des simula-tions 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 tra-vaux existants sur les obstacles mobiles rigides, utilisant une discrétisation deFourier efficace, une méthode numérique a été développée, permettant égale-ment la simulation des obstacles déformables et fournissant une polyvalenceet précision accrues dans le cas des obstacles rigides. L’algorithme se reposesur la méthode de pénalisation volumique et la discrétisation fluide est tou-jours basée sur une discrétisation de Fourier. Le code, conçu pour fonction-ner sur des supercalculateurs massivement parallèles, est entièrement opensource et disponible librement sur internet. Nous appliquons cette méthoded’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 présenta-tion de tests de validation détaillée, nous procédons à l’étude d’un modèle debourdon dans un écoulement turbulent pleinement développé. Nos simula-tions montrent que les perturbations turbulentes affectent les insectes volantsd’une manière différente de celle des avions aux ailes fixées et conçues parl’humain. Dans le cas de ces derniers, des perturbations en amont peuvent dé-clencher des transitions dans la couche limite, tandis que les premiers ne pré-sentent pas de changements systématiques dans les forces aérodynamiques.Nous concluons que les insectes se trouvent plutôt confrontés à des problèmesde contrôle dans un environnement turbulent qu’à une détérioration de laproduction de force. Lors de l‘étape suivante, nous concevons un modèle so-lide, basé sur une équation de barre monodimensionnelle, et nous passons à lasimulation des systèmes couplés fluide–structure. Les applications concernentd’abord des configurations en deux dimensions spatiales, spécifiques au volde l’insecte, mais aussi des modèles tridimensionnels représentant la nagedes poissons. Avec ces ’nageurs’, constitués d’une plaque flexible avec unedirection rigide, nous étudions l’influence de la forme sur l’efficacité hydrody-namique. Nous concluons qu’une forme contractée, c’est-à-dire une silhouetteélargie à la tête et qui s’affine à la queue, que l’on trouve dans certains am-phibiens, est plus efficace et permet une nage plus rapide qu’une forme exponentielle, qui est pourtant plus similaire à la plupart des nageoires caudalesobservées chez les poissons. Nous présentons des preuves que cet effet peutêtre expliqué par une interaction favorable des vortex de bord avec la plaquedans le cas de la forme contractée.