Dinh Hung Truong
I2M, Aix-Marseille Université
/user/dinhHung.truong/
Date(s) : 03/03/2021 iCal
11 h 00 min - 13 h 00 min
SOUTENANCE DE THESE
Titre: Aérodynamique du vol des insectes et modélisation de la flexibilité des ailes
Directeur de thèse: Prof. Kai Schneider
Cette soutenance sera présentée devant un jury composé de:
– Prof. Fritz-Olaf Lehmann, Universitaet Rostock, Germany (Rapporteur)– Prof. Alex Alexeev, Georgia Tech, USA (Examinateur)– Prof. Angelo Iollo, Institut de Mathematiques de Bordeaux (Examinateur)
– Dr. Fabien Candelier, IUSTI, AMU (Rapporteur)
– Dr. Caroline Chaux, CNRS, I2M (Rapporteur)
– Dr. Dmitry Kolomenskiy, Tokyo Insitute of Technology, Japan (Invité)
– Dr. Thomas Engels, Institute of Biological Sciences, Universitaet Rostock, Germany (Invité)
Résumé:
Les insectes fascinent depuis longtemps une grande communauté interdisciplinaire d’ingénieurs, de biologistes, de physiciens et de mathématiciens par leurs extraordinaires capacités de vol en battant des ailes. Le vol des insectes a été largement étudié dans le passé en supposant que les insectes volent avec des ailes rigides dans des conditions d’écoulement au repos. Dans le monde réel, cependant, la plupart des ailes d’insectes sont des structures complexes, qui consistent en une fine membrane flexible soutenue par un réseau de veines. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’influence de la flexibilité des ailes sur les performances aérodynamiques des insectes. Pour cela, un modèle d’aile a été développé en utilisant un système masse-ressort où l’aile est discrétisée par des points de masse reliés par des ressorts. Sur la base de différents comportements mécaniques, les veines sont modélisées comme une tige en utilisant des ressorts d’extension et de flexion, tandis que les membranes sont modélisées comme une feuille mince en utilisant uniquement des ressorts d’extension. Cette approche nous permet d’imiter la structure et la dynamique particulières des ailes d’insectes. Le modèle d’aile est ensuite couplé à un solveur fluide, qui est basé sur une discrétisation spectrale des équations de Navier-Stokes pénalisées en trois dimensions. Le code est conçu pour fonctionner sur des supercalculateurs massivement parallèles pour des calculs à haute résolution. Après avoir été validé par rapport aux travaux précédents, le code est d’abord utilisé pour simuler un bourdon attaché avec des ailes flexibles. Afin d’analyser l’effet de la flexibilité des ailes, le module de Young de la cuticule de l’aile est modifié pour faire une comparaison entre deux modèles d’ailes différents que nous appelons flexibles et très flexibles. Nous examinons ensuite une deuxième espèce, qui est Calliphora vomitoria (mouche à viande) dans un contexte de vol attaché. En utilisant la stratégie d’évolution de l’adaptation de la matrice de covariance, la rigidité de l’aile est optimisée en comparant le modèle d’aile avec un ensemble de données expérimentales de déformation de l’aile en réponse à des forces ponctuelles statiques. Nos études montrent que la flexibilité de l’aile joue un rôle important dans l’économie des coûts énergétiques du vol. De plus, l’inertie de l’aile a également contribué à amortir la fluctuation de la force aérodynamique et a donc aidé l’insecte à se stabiliser en vol.
Meeting ID: 995 4467 8955
Passcode: on mail
Title: Aerodynamics of insect flight and modeling of wing flexibility
PhD supervisor: Prof. Kai Schneider
Abstract:
Insects have fascinated a large, interdisciplinary community of engineers, biologists, physicists and mathematicians for a long time with their extraordinary capabilities of flying by flapping their wings. Insect flight has been extensively studied in the past assuming that insects fly with rigid wings in quiescent flow conditions. In real world, however, most insect wings are complex structures, which consist of a thin, flexible membrane supported by a network of veins. The aim of this thesis is to investigate the influence of wing flexibility on the aerodynamic performance of insects. For this purpose, a wing model has been developed using a mass-spring system where the wing is discretized by mass points connected by springs. Based on different mechanical behaviors, veins are modeled as a rod using extension and bending springs while membranes are modeled as a thin sheet using extension springs only. This functional approach allows us to mimic the distinctive structure and dynamics of insect wings. The wing model is then coupled with a fluid solver, which is based on a spectral discretization of the three-dimensional penalized Navier-Stokes equations. The code is designed to run on massively parallel supercomputers for high resolution computations. After being validated with respect to previous works, the code is firstly employed to simulate a tethered bumblebee with flexible wings. In order to analyze the effect of wing flexibility, Young’s modulus of wing cuticle is varied to make a comparison between two different wing models that we refer to as flexible and highly flexible. We then examine a second species, which is Calliphora vomitoria (blowfly) in a tethered flight context. Using a covariance matrix adaptation evolution strategy, the wing stiffness parameters are optimized by comparing the wing model with a set of experimental data of wing deformation in response to static point forces. Our studies show that wing flexibility plays an important role in saving flight energetic cost. Moreover, the wing inertia also helped to damp out the fluctuation of the aerodynamic force and thus stabilized the insect during flight.
Catégories