L'origami comme plateforme pour ajuster la force de traînée

Origami as a platform for tuning drag force

• Auteur / Autrice : Rishabh Nain
• Direction : Sophie Ramananarivo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 08/11/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1990-....) - Laboratoire d'hydrodynamique
• Jury : Président / Présidente : Olivier Doaré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Ramananarivo, Frédéric Lechenault, Francisco Huera-Huarte, Martin Brandenbourger, Benoît Roman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Lechenault, Francisco Huera-Huarte
• DOI : 10.70675/399d32cfze736z4050z946bz73b1b5476290

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élasticité

Interaction fluide-structure

Origami

Mots clés libres

Élasticité

Interaction fluide-Structure

Origami

Elasticity

Fluid/structure interaction

Origami/Kirigami

Résumé

La force de traînée augmente généralement avec la vitesse de l'écoulement, sauf dans certains cas spécifiques comme la crise de traînée ou des changements brusques de forme, comme lorsqu’un vent violent brise les branches d’un arbre. Dans ce cas, la traînée exercée sur l’arbre chute instantanément, lui permettant de maintenir son intégrité structurelle malgré l'irréversibilité du phénomène. Une alternative intéressante pour créer des changements brusques de forme est le phénomène de ''snap-through'' dans les structures flexibles. La technique de l’origami offre un cadre prometteur pour concevoir de telles structures, capables de passer d’un état d’équilibre à un autre. En intégrant des plis spécifiques, il est possible de contrôler la cinématique et les propriétés mécaniques des structures, notamment leur multistabilité.Dans cette thèse, nous avons étudié des cellules d'origami bistables capables de passer à un second état stable, soit en suivant leur trajectoire cinématique, soit par un degré de liberté « caché » résultant de la flexion des faces. Ces cellules peuvent se déformer continuellement dans un écoulement avant de passer à leur nouvel état, ou maintenir leur forme avant et après la transition. Ces deux comportements entraînent une variation discontinue de la traînée avec l’augmentation de la vitesse d’écoulement. En ajustant les propriétés géométriques et mécaniques, il est possible de modifier la vitesse critique de retournement et la force de traînée subie par l'élément. Les résultats expérimentaux ont été validées par un modèle théorique aéroélastique basé sur l’équilibre les forces fluides et élastiques. Ce travail met en avant l'origami comme une méthode prometteuse pour créer des structures passives déployables capables de contrôler la traînée dans des environnements fluides. Par exemple, nous avons démontré expérimentalement qu'une structure en origami peut fonctionner comme une valve passive pour réguler le débit.

The drag force typically rises with flow speed, except in cases like drag crisis or abrupt shape changes, such as wind-induced tree pruning. While pruning reduces drag sharply and maintains structural integrity, it is irreversible. An attractive alternative for abrupt shape change is snap-through events in flexible structures. Origami provides a promising framework for crafting such shape-morphing structures. By prescribing specific folds, one can achieve the desired kinematic pathway and mechanical properties, particularly multistability.In this thesis, we studied bistable origami units capable of transitioning to a second stable state either by following the kinematic path or by utilizing a hidden degree of freedom arising from facet bending. These units can either deform continuously in flow with a snap-through event or maintain their shape before and after snapping to the second state. Both behaviours show a discontinuous evolution of drag with increasing flow speed. By adjusting geometrical and mechanical properties, we can modify and fine-tune the snapping event and the drag force experienced by the unit. Experiments were corroborated by a theoretical aero-elastic model that balances fluid forces with elastic forces. This work presents an origami design strategy for creating efficient passive deployable structures capable of controlling drag in fluid environments. For instance, we demonstrated an origami structure functioning as a passive valve to regulate flow.