A numerically efficient computational model of a flapping micro aerial vehicle based on Hamiltonian geometric reductions

doctoral thesis

• Title (english): Numerički efikasan računalni model male mahokrilne letjelice temeljen na Hamiltonovim geometrijskim redukcijama
• Author: Viktor Pandža
• Mentor: Zdravko Terze (mentor)
• Committee member: Dario Zlatar (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Milan Vrdoljak (član povjerenstva)
• Committee member: Stjepan Bogdan (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2022-02-24, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Aviation, Rocket and Space Technology
• Universal decimal classification (UDC): 629.7 - Air transport engineering

Abstract

Insect flight capabilities provide fascination for humans and fuel aspirations for development
and manufacturing of insect-type flapping wing aerial vehicles. However, complex
underlying aerodynamic phenomena limit our abilities in understanding insect flight and
producing aerial vehicle exploiting same phenomena. To this end, a novel mid-fidelity
approach to insect-type flapping vehicles modeling is proposed. Computational model
includes Helmholtz-Hodge decompositon of fluid velocity into curl-free and divergence-free
parts. Coupled multibody-fluid system equations of motion are derived, including added
inertia effects of the environmental fluid and viscous effects arising as an additional aerodynamic
load on a multibody system. Curl-free vector field is utilized to accurately model
added inertia effects, while expressing coupled system dynamics by using multibody system
variables only, after employing symplectic reduction of the coupled multibody-fluid system.
On the other hand, unsteady viscous effects included in the divergence-free vector field are
modeled by a wake of irrotational point vortices, shed from both leading (important for
insect-type flapping flight) and trailing edges of the flapping wing. A proposed computational
model is evaluated on two numerical examples involving insect-type flapping flight.
The first test case involves standstill hovering of fruit fly in Earth atmospheric environment,
propelled by flapping pattern characterized with smooth flapping angle functions. Second
test case involves insect-type flapping wing aerial vehicle performing hovering in Mars
atmospheric environment, with flapping pattern input in discrete form, resulting from optimization
algorithm. It is concluded from results analysis that the proposed computational
model exhibited near real time properties with high load prediction accuracy.

Abstract (croatian)

Let insekata predstavlja inspiraciju za istraživanje u tehničkim i prirodnim znanostima,
zbog njihovih izvrsnih performansi letenja, koje se temelje na naglašenom korištenju nestacionarnih
‘fluid-solid’ utjecaja. Mahokrila insektnog tipa omogućuju energetski efikasan let
i brze manevre, zadržavajući male dimenzije te predstavljajući letne performanse s kojima
se ne mogu usporediti performanse konstruiranih letjelica (tek su nedavno dizajnirane
prve letjelice koje u određenoj mjeri oponašaju let insekta). Razlog tomu jest složena
nestacionarna aerodinamika karakteristična za let insekata koja se počela razumijevati tek
u protekla tri desetljeća. Između ostalog, otkriveno je da insekti koriste vrtlog otpušten s
napadnog ruba krila kako bi dodatno povećali uzgon u usporedbi s istim krilom pri istom
napadnom kutu u stacionarnom strujanju bez vrtloga.
Fokus istraživača u posljednja dva desetljaća usmjeren je na razvoj i izradu mahokrilne
letjelice koja bi koristila iste nestacionarne aerodinamičke fenomene karakteristične za let
insekata. Složenost nestacionarnih i izrazito nelinearnih aerodinamičkih fenomena otežava
zadaću konstruiranja i optimiranja takve letjelice bez odgovarajućih računalnih alata. Zbog
visokih frekvencija mahanja i velike amplitude rotacije krila karakterističnih za let insekata
računalni modeli spregnutih zadaća temeljeni na metodi konačnih volumena za modeliranje
fluida i posebnih (odvojenih) numeričkih rješavača dinamike uronjenog kinematičkog lanca
pokazuju neoptimalne performanse i mogućnost pojava računalnih nestabilnosti. Osim
toga, računalno vrijeme potrebno za njihovo izvršavanje čini takve pristupe modeliranja
neupotrebljivima unutar konstrukcijskih petlji te unutar petlji za optimalno upravljanje.
Iz tog razloga javlja se potreba za računalnim modelom mahokrilne letjelice insektnog
tipa koji bi omogućio pouzdano modeliranje signifikantnih aerodinamičkih fenomena uz
zadržavanje računalne efikasnosti koja omogućuje primjenu unutar konstrukcijskih petlji
te unutar petlji optimalnog upravljanja.
U tu svrhu spregnuti sustav krilo-fluid promatra se iz perspektive geometrijske mehanike
koja omogućava redukcije spregnutog modela na zajedničkoj mognostrukosti, odnosno Lievoj grupi diskretnog mehaničkog sustava i ambijentalnog fluida. Brzina fluida se
dekomponira u vektorsko polje bez vrtložnosti te vektorsko polje bez divergencije korištenjem
Helmholtz-Hodge dekompozicije. Značajke vektorskog polja bez vrtložnosti se zatim
koriste pri simplektičkoj redukciji multi-fizikalnog sustava za modeliranje dodane inercije
krila uronjenog u fluid - važan fenomen za mahokrila insektnog tipa zbog velikih vrijednosti
ubrzanja i složene kinematike krila insektnog tipa. Vektorsko polje bez divergencije
koristi se za modeliranje viskoznih utjecaja vrtložnim tragom.

• Keywords: Flapping wing aerial vehicle; Insect-type flapping; Symplectic reduction; Added inertia; Vortex wake; Coupled multibody-fluid system; Flapping flight on Mars
• Keywords (english): Mahokrilna letjelica; Mahokrilo insektnog tipa; Simplekticka redukcija; Fluidni utjecaj dodane inercije; Vrtložni trag; Spregnut sustav dinamike fluida i sustava više tijela; Mahokrilni let na Marsu
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:271648
• Study programme: Title: Mechanical Engineering and Naval Architecture; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2022-03-30 13:24:39