Numerical modeling of fluid-structure interaction in bio-inspired propulsion

par Thomas Engels

Thèse de doctorat en Mécanique et Physique des Fluides

Sous la direction de Kai, Bernd Schneider et de Jörn Sesterhenn.

Le président du jury était Marie Farge.

Les rapporteurs étaient Angelo Iollo, Hao Liu.


  • Résumé

    Les animaux volants et flottants ont développé des façons efficaces de produire l'écoulement de fluide qui génère les forces désirées pour leur locomotion. 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, 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. 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.


  • Résumé

    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. 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.


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