Aérodynamique du vol d'insecte et modélisation de la flexibilité de l'aile

Aerodynamics of insect flight and modeling of wing flexibility

• Auteur / Autrice : Dinh Hung Truong
• Direction : Kai Schneider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 03/03/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mathématiques de Marseille (I2M)
• Jury : Président / Présidente : Fritz-Olaf Lehmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Chaux, Fabien Candelier, Thomas Engels, Dmitry Kolomenskiy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexander Alexeev, Angelo Iollo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Équations de Navier-Stokes

Insectes

Ailes oscillantes (aérodynamique)

Biomécanique

Mécanique des fluides

Aérodynamique

Mots clés libres

Vol des insectes

Flexibilité des ailes

Modèle de masse-Ressort

Intéraction fluide–structure

Méthode spectrale

Méthode de pénalisation volumique

Stratégies d’évolution avec adaptation de matrice de covariance (CMA-ES)

Insect flight

Wing elasticity

Mass--Spring model

Fluid--Structure interaction

Spectral method

Volume penalization method

Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategies (CMA-ES)

Résumé

Les insectes fascinent depuis longtemps une grande communauté interdisciplinaire de chercheurs. Le vol des insectes a été largement étudié en supposant que les insectes volent avec des ailes rigides. Dans le monde réel, la plupart des ailes d’insectes sont des structures complexes. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’influence de la flexibilité des ailes sur les performances aérodynamiques des insectes. Pour cela, un modèle d’aile a été développé en utilisant un système masse-ressort où l’aile est discrétisée par des points de masse reliés par des ressorts. Sur la base de différents comportements mécaniques, les veines et les membranes sont modélisées différemment. Le modèle d’aile est ensuite couplé à un solveur fluide, qui est basé sur une discrétisation spectrale des équations de Navier-Stokes pénalisées en trois dimensions. Le code est conçu pour fonctionner sur des supercalculateurs massivement parallèles pour des calculs à haute résolution. Après avoir été validé par rapport aux travaux précédents, le code est d’abord utilisé pour simuler un bourdon attaché avec des ailes flexibles. La flexibilité de l’aile est modifié pour faire une comparaison entre deux modèles d’ailes différents. Nous examinons ensuite une deuxième espèce, qui est Calliphora vomitoria (mouche à viande) dans un contexte de vol attaché. En utilisant la stratégie d’évolution de l’adaptation de la matrice de covariance, la rigidité de l’aile est optimisée en comparant le modèle d’aile avec les données expérimentales. Nos études montrent que la flexibilité de l’aile économise des coûts énergétiques du vol et contribue à amortir la fluctuation de la force aérodynamique en vol

Insects have fascinated a large, interdisciplinary community of scientists. Insect flight has been extensively studied in the past assuming that insects fly with rigid wings in quiescent flow conditions. In the real world, most insect wings are complex structures that consist of a thin, flexible membrane supported by a network of veins. The aim of this thesis is to investigate the influence of wing flexibility on the aerodynamic performance of insects. For this purpose, a wing model has been developed using a mass-spring system where the wing is discretized by mass points connected by springs. Based on different mechanical behaviors, veins and membranes are modeled differently. The wing model is then coupled with a fluid solver which is based on a spectral discretization of the three-dimensional penalized Navier–Stokes equations. The code is designed to run on massively parallel supercomputers for high-resolution computations. After being validated with respect to previous works, the code is firstly employed to simulate a tethered bumblebee with flexible wings. In order to analyze the effect of wing flexibility, the wing flexibility is varied to make a comparison between two different wing models. We then examine a second species which is Calliphora vomitoria (blowfly) in a tethered flight context. Using covariance matrix adaptation evolution strategy, the wing stiffness is optimized by comparing the wing model with experimental data. Our studies show that wing flexibility plays an important role in minimizing flight energetic cost. The wing inertia also helped to damp out the fluctuation of the aerodynamic force and thus stabilized the insect during flight