UCL - SST/IMMC/TFL - Thermodynamics and fluid mechanics, UCL - Ecole Polytechnique de Louvain, Chatelain, Philippe, Ronsse, Renaud, Deleersnijder, Eric, Winckelmans, Grégoire, Dimitriadis, Grigorios, Parslew, Ben, Colognesi, Victor, UCL - SST/IMMC/TFL - Thermodynamics and fluid mechanics, UCL - Ecole Polytechnique de Louvain, Chatelain, Philippe, Ronsse, Renaud, Deleersnijder, Eric, Winckelmans, Grégoire, Dimitriadis, Grigorios, Parslew, Ben, and Colognesi, Victor
Birds have always been a source of inspiration for humans. From the record distances crossed by the bar-tailed godwit during its migrations, to swifts staying aloft continuously for up to ten months, they are capable of achievements that artificial devices are still far from reproducing. We still have a lot to learn from the flight of birds, and the unveiling of the mechanisms behind their efficiency could open the way to new levels of performances for our man-made air vehicles. While many works have relied on observations and experimental measurements conducted on birds and have led us to a certain knowledge of their flight mechanisms, the present work builds upon the idea that reproducing bird flight in simulation can shed light on what makes them so efficient. Indeed, plain mimicry of the natural flight of birds does little toward the better understanding of its underlying principles whereas the numerical reproduction of the broad range of phenomena involved allows us to test various hypotheses. In this thesis, we report on the development of a model for bird flapping flight. This model includes a representation of the wing skeleton and the main flight feathers, controllers aimed at the stabilization of flight and a faithful modeling of the wake behind a bird. The model is applied to the study of the dynamics of a bird in controlled flight, the analysis of its wake and of the interactions between two birds flying in formation. In the results, we present predictions regarding the distribution of aerodynamic forces and the contributions to the flight power. We also analyze the structure of a bird wake, verifying hypotheses concerning the positioning of a bird flying behind another, and we simulate the formation flight of two birds, exploring the control strategies that stabilize the follower, and how its position affects the reduction in its flight power., Les oiseaux ont toujours été une source d’inspiration pour l’humanité. De la distance record parcourue par la barge rousse durant ses migrations annuelles, aux hirondelles capables de rester en vol ininterrompu pendant dix mois, ils sont capables de performances que nous sommes encore loin de pouvoir reproduire artificiellement. Nous avons encore beaucoup à apprendre du vol des oiseaux, et découvrir les mécanismes à l’origine de leur efficacité peut mener à de nouveaux niveaux de performances pour nos appareils volants. Malgré de nombreux travaux basés sur l’observation et des mesures expérimentales du vol des oiseaux, qui nous ont amené une certaine connaissance des mécanismes de leur vol, ce travail se base sur l’idée que la reproduction de ce vol en simulation peut nous éclairer sur ce qui le rend si efficace. En effet, une simple reproduction du vol des oiseaux tel qu’observé dans la nature ne suffit pas pour comprendre ses principes fondamentaux, tandis que la reproduction numérique de la large gamme de phénomènes impliqués dans le vol des oiseaux nous permet de tester des hypothèses. Dans cette thèse, nous présentons le développement d’un modèle du vol de l’oiseau à ailes battantes. Ce modèle comprend une représentation du squelette de l’aile et de ses principales plumes, des contrôleurs pour la stabilisation du vol, et un modèle fidèle du sillage derrière un oiseau. Le modèle est utilisé pour l’étude de la dynamique d’un oiseau en vol contrôlé, l’analyse de son sillage et les interaction entre deux oiseaux volant en formation. Dans les résultats nous présentons des prédictions concernant la distribution des forces aérodynamiques pendant le vol, et les différentes contributions à la consommation d’énergie. Nous analysons aussi la structure du sillage et vérifions des hypothèses concernant le positionnement d’un oiseau volant derrière un autre. Finalement, nous simulons le vol en formation de deux oiseaux, explorant ainsi les stratégies de contrôle disponibles, (FSA - Sciences de l'ingénieur) -- UCL, 2022