Un Estudio Numérico de la Propulsión Metacronal a Números de Reynolds Bajos a Intermedios
Autores: Granzier-Nakajima, Shawtaroh; Guy, Robert D.; Zhang-Molina, Calvin
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2020
Acceso abierto
Artículo científico
2020
Un Estudio Numérico de la Propulsión Metacronal a Números de Reynolds Bajos a Intermedios
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Mecanismo de propulsión submarina
Propulsión metacronal
Modelo de dinámica de fluidos computacional
Método de frontera sumergida
Números de Reynolds
Flujo promedio
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Inspirados en la natación hacia adelante de los crustáceos de cola larga, estudiamos un mecanismo de propulsión submarina para un cuerpo nadador con múltiples palas rígidas unidas por debajo que realizan ciclos de golpes de potencia y retorno con una diferencia de fase constante entre las palas vecinas, un fenómeno conocido como propulsión metacronal. Para estudiar cómo la diferencia de fase entre palas afecta la producción de flujo, desarrollamos un modelo de dinámica de fluidos computacional y un algoritmo numérico basado en el método de frontera inmersa, que nos permite simular la propulsión metacronal a números de Reynolds (RE) que van desde cerca de 0 hasta aproximadamente 100. Nuestro hallazgo principal es que el flujo promedio más alto se genera cuando las palas más cercanas mantienen una diferencia de fase aproximada del 20%-25%, con la pala más posterior liderando el ciclo; este resultado es independiente de la frecuencia de golpe en todo el rango de RE considerado aquí. También encontramos que el espaciado óptimo de las palas y el número de palas dependen de RE; observamos una transición cualitativa en la dinámica del flujo generado por la propulsión metacronal a medida que RE supera 80. A grandes rasgos, en términos de generación de flujo promedio, se prefiere un espaciado de palas estrecho cuando RE es menor que 10, pero un espaciado más amplio se favorece claramente cuando RE está cerca de 100 o por encima de este. En términos de eficiencia de generación de flujo, a RE 0.1 la máxima eficiencia ocurre con dos palas, y la eficiencia disminuye a medida que aumenta el número de palas. A RE 100, la eficiencia aumenta a medida que aumenta el número de palas, y parece saturarse con ocho palas, mientras que usar cuatro palas es un buen compromiso tanto para RE bajos como intermedios.
Descripción
Inspirados en la natación hacia adelante de los crustáceos de cola larga, estudiamos un mecanismo de propulsión submarina para un cuerpo nadador con múltiples palas rígidas unidas por debajo que realizan ciclos de golpes de potencia y retorno con una diferencia de fase constante entre las palas vecinas, un fenómeno conocido como propulsión metacronal. Para estudiar cómo la diferencia de fase entre palas afecta la producción de flujo, desarrollamos un modelo de dinámica de fluidos computacional y un algoritmo numérico basado en el método de frontera inmersa, que nos permite simular la propulsión metacronal a números de Reynolds (RE) que van desde cerca de 0 hasta aproximadamente 100. Nuestro hallazgo principal es que el flujo promedio más alto se genera cuando las palas más cercanas mantienen una diferencia de fase aproximada del 20%-25%, con la pala más posterior liderando el ciclo; este resultado es independiente de la frecuencia de golpe en todo el rango de RE considerado aquí. También encontramos que el espaciado óptimo de las palas y el número de palas dependen de RE; observamos una transición cualitativa en la dinámica del flujo generado por la propulsión metacronal a medida que RE supera 80. A grandes rasgos, en términos de generación de flujo promedio, se prefiere un espaciado de palas estrecho cuando RE es menor que 10, pero un espaciado más amplio se favorece claramente cuando RE está cerca de 100 o por encima de este. En términos de eficiencia de generación de flujo, a RE 0.1 la máxima eficiencia ocurre con dos palas, y la eficiencia disminuye a medida que aumenta el número de palas. A RE 100, la eficiencia aumenta a medida que aumenta el número de palas, y parece saturarse con ocho palas, mientras que usar cuatro palas es un buen compromiso tanto para RE bajos como intermedios.