有翅果實自由落下的空氣動力學特性研究
風力散布是最常見的種子散布方式,使種子、果實能夠在空中漂浮較長時間,可以旅行數百公里。透過模擬風力散布種子和果實的飛行模式,人類已製造出各種類似的飛行器,例如滑翔機、降落傘、自旋直升機。成功利用空氣動力性能需要通過穩固的幾何結構和材料設計進行有效的流體-結構互動(FSI)。
國立台灣大學 機械工程學系 莊嘉揚 教授 以有翅果實為啟發探討在自由下落過程中的空氣動力學特性。
有翅果實依靠簡單的幾何結構,而非神經肌肉控制,來實現獨特的飛行機制。本研究提出了一種創新方法,使用摺紙技術製作三翼模型果實,作為理解天然有翅果實飛行動力學的代理。紙張被用來模擬固有的翅膀柔性,並可以選擇添加塑料框架以增加剛性。台大通過實驗和數值分析全面研究了剛性和柔性有翅果實的自由下落運動。並利用LSTC LS-DYNA進行大渦模擬(LES),以獲得三翼果實周圍的詳細流場的模擬。速度-時間曲線顯示了三階段的下降模式——加速、減速和穩態。超調現象歸因於前緣渦流穩定附著在翅膀上導致的升力迅速增加。完整揭示了果實飛行的空氣動力學原理。
與剛性翅膀相比,柔性翅膀表現出兩大關鍵特性—較慢的下降速度和更高的自我定向能力,使種子在橫風條件下更能穩定和更遠距離的散布。此份研究展示了柔性翅膀在天然種子散布中的潛在優勢。利用摺紙作為仿生研究的有力工具,本研究推進了對有翅果實飛行動力學的理解。
這些發現具有廣泛的影響,從改進空氣動力學設計到開發高效的微型飛行器和電子微飛行器,再到理解種子散布的進化。
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