Hydrodynamics of pitching foils: flexibility and ground effects

Abstract

En termes de propulsió la rigidesa flexural i l'efecte terra en una placa rectangular en piteig pur han estat investigats. Velocimetria per imatges per partícules, mesures de forces i moments amb una cèl·lula de carga de 6 eixos, mesures de velocitat i adquisició d'imatges de la cinemàtica de la placa han estat realitzades per estudiar els patrons de flux i les forces hidrodinàmiques en plaques de diferent flexibilitat. La presència de la paret va millorar la velocitat de creuer fins a un 25% i l'empenta fins a un 45% per angles escombrats de 160 i 240 graus. El mecanisme físic sota aquest efecte és discutit estudiant els camps de vorticitat produïts per l'estela de l'aleta bioinspirada en un rajiforme. Les forces hidrodinàmiques linkejades a les tècniques de visualització, van permetre calcular eficiències i camps de vorticitat promitjats en fase. Aquestes dades van revelar com l'angle escombrat de la placa juga un paper fonamental en la distribució de moment en l'estela d'una placa rígida per incrementar la propulsió. En termes de rigidesa flexural, l'òptima flexibilitat va ser determinada amb una placa semi-flexible amb una eficiència d'un 69% amb un angle d'atac de 72 graus.

En términos de propulsión la rigidez flexural y el efecto suelo en una placa rectangular en puro picheo han sido investigados. Velocimetría de imágenes por partículas, medidas de fuerzas y momentos con una célula de carga de 6 ejes, medidas de velocidad y adquisiciones de imágenes de la cinemática de la placa han sido realizadas para estudiar los patrones de flujo y las fuerzas hidrodinámicas en placas con diferentes flexibilidad. La presencia de la pared mejoró la velocidad de crucero hasta en un 25% y el empuje hasta un 45% para ángulos barridos de 160 y 240 grados. El mecanismo físico bajo este efecto es discutido estudiando los campos de vorticidad producidos por la estela de la aleta bioinspirada en un rajiforme. Las fuerzas hidrodinámicas linkadas a las técnicas de visualización, permitieron calcular eficiencias y campos de vorticidad promediados en fase. Estos datos revelaron como el ángulo barrido de la placa juega un papel fundamental en la distribución de momento en la estela de un foil rígido para incrementar la propulsión. En términos de rigidez flexural la óptima flexibilidad fue determinada con la placa semi-flexible con una eficiencia de un 69% con un ángulo de ataque de 72 grados.

The roles of the chordwise flexural stiffness and ground effect in a rectangular plate undergoing in pure pitching motion have been investigated. Digital Particle image velocimetry (DPIV), load measurement with a 6-axes balance, measurements of the swimming speed and image acquisition of the kinematics of the foil have been done to study the flow patterns and hydrodynamics forces around the flapping flexible plates. The presence of the wall enhances the cruising velocity in some cases up to 25% and the thrust by a 45% , for swept angles of 160 and 240°. The physical mechanisms underlying of this effect are discussed by studying the vorticity dynamics in the wake of the foil. Experimental data of the hydrodynamic forces and moments allowed to obtain the efficiencies of the flapping propulsion. These load measurements were linked to the wakes of the flapping foils in order to reveal configurations with higher thrust. The momentum distribution in the wake of the foil has allowed the physical explanation for the cases with highest thrust production capacity. In terms of flexural stiffness, the optimum flexibility has been determined with the semi − flexible plate up to 69% of efficiency under a swept angle of 72 degrees for Re = O(10^4) tested in the investigation.