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Propulsion biomimétique de structures élastiques

By Sophie Ramananarivo

Abstract

Birds and aquatic animals exploit the surrounding fluid to propel themselves in air or water. In inertial regimes, the mechanisms of propulsion are based on momentum transfer; by flapping wings or fins, animals accelerate fluid in their wake, creating a jet that propels them forward. The structures used to move can be flexible, and are thus likely to experiment large bending. Literature showed that those passive deformations can improve propulsive performance, when exploited in a constructive way. The mechanisms at play however remain poorly understood. In the present thesis, we aim at studying how a flapping elastic structure generates thrust, using two experimental biomimetic models. The first setup is a simplified mechanical insect with flexible wings, and the second one is a swimmer whose elastic body mimics the undulating motion of an eel. We show that propulsive performance is significantly influenced by the way the systems passively bend, and that their elastic response can be described by simplified theoretical models of forced oscillators. Those models also bring forward the crucial role of the quadratic fluid damping that resists the flapping motion. This result introduces the counter-intuitive idea that it is sometimes desirable to dissipate part of the energy in the fluid, in order to improve performance.Les oiseaux et poissons se déplacent dans leur environnement fluide en interagissant avec l'air/eau qui les entoure. Pour des régimes inertiels, les mécanismes de propulsion se basent sur un transfert de quantité de mouvement au fluide; les battements d'ailes ou de nageoires générant un jet dans le sillage de l'animal qui le propulse vers l'avant. Pour les oiseaux comme pour les poissons, les structures utilisées possèdent une certaine flexibilité, et sont donc susceptibles de plier de façon importante. La littérature montre que ces déformations passives peuvent améliorer les performances de propulsion lorsqu'elles sont exploitées de façon constructive. Le détail des mécanismes en jeu reste cependant mal compris. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à travers deux modèles biomimétiques, la façon dont une structure battante déformable génère des forces de propulsion. Le premier modèle est une version mécanique simplifiée d'insecte dotée d'ailes flexibles, tandis que le deuxième est un nageur dont le corps élastique reproduit le mouvement d'ondulation d'une anguille. Nous montrons que la façon dont ces systèmes se déforment passivement est déterminante pour leurs performances, et que leur réponse élastique peut être décrite par des modèles théoriques simplifiés d'oscillateurs forcés. Ces modélisations mettent par ailleurs en avant le rôle crucial joué par le frottement fluide quadratique qui s'oppose aux mouvements de battements de la structure. Ce résultat introduit l'idée, un peu contre-intuitive, qu'il peut s'avérer avantageux de dissiper une part de son énergie dans le fluide pour améliorer ses performances

Topics: fluid/structure interaction, biomimetic, anguilliform, swimming, flapping flight, elasticity, interactions fluide/structure, propulsion, biomimétique, nage anguilliforme, vol battu, élasticité, [ PHYS.MECA.MEFL ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of the fluids [physics.class-ph], [ SPI.MECA.MEFL ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Fluids mechanics [physics.class-ph], [ PHYS.MECA.BIOM ] Physics [physics]/Mechanics [physics]/Biomechanics [physics.med-ph], [ SPI.MECA.BIOM ] Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Biomechanics [physics.med-ph]
Publisher: HAL CCSD
Year: 2014
OAI identifier: oai:HAL:pastel-00955323v1
Provided by: Hal-Diderot

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