Bio-Inspired Propulsion: Towards Understanding the Role of Pectoral Fin Kinematics in Manta-like Swimming

拍打 推力 推进 机械 纵横比(航空) 翼展 涡流 弯曲 叶尖间隙 空气动力学 计算流体力学 物理 航空航天工程 结构工程 工程类 光电子学
作者
Alec Menzer,Yuchen Gong,Frank E. Fish,Haibo Dong
出处
期刊:Biomimetics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:7 (2): 45-45 被引量:45
标识
DOI:10.3390/biomimetics7020045
摘要

Through computational fluid dynamics (CFD) simulations of a model manta ray body, the hydrodynamic role of manta-like bioinspired flapping is investigated. The manta ray model motion is reconstructed from synchronized high-resolution videos of manta ray swimming. Rotation angles of the model skeletal joints are altered to scale the pitching and bending, resulting in eight models with different pectoral fin pitching and bending ratios. Simulations are performed using an in-house developed immersed boundary method-based numerical solver. Pectoral fin pitching ratio (PR) is found to have significant implications in the thrust and efficiency of the manta model. This occurs due to more optimal vortex formation and shedding caused by the lower pitching ratio. Leading edge vortexes (LEVs) formed on the bottom of the fin, a characteristic of the higher PR cases, produced parasitic low pressure that hinders thrust force. Lowering the PR reduces the influence of this vortex while another LEV that forms on the top surface of the fin strengthens it. A moderately high bending ratio (BR) can slightly reduce power consumption. Finally, by combining a moderately high BR = 0.83 with PR = 0.67, further performance improvements can be made. This enhanced understanding of manta-inspired propulsive mechanics fills a gap in our understanding of the manta-like mobuliform locomotion. This motivates a new generation of manta-inspired robots that can mimic the high speed and efficiency of their biological counterpart.

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