Method Article

平面レーザー誘起蛍光イメージングを用いたフラップソフトフィン変形モデリング

DOI:

10.3791/63784

⸱

April 28th, 2022

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1KS Research Inc, 2Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics, US Naval Research Laboratory, 3Center for Biomolecular Science and Engineering, US Naval Research Laboratory

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

現在のプロトコルは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)材料で構築された水中フラッピングフィンにおける3D形状変形の測定および特性評価を含む。これらの変形を正確に再構成することは、準拠した羽ばたきフィンの推進性能を理解するために不可欠です。

Abstract

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さまざまな魚種のひれに触発された推進機構は、無人車両システムにおける操縦能力とステルス能力の向上の可能性を考慮して、ますます研究されています。これらのフィン機構の膜に使用される軟質材料は、より剛性の高い構造と比較して推力と効率を高めるのに有効であることが証明されていますが、これらの軟質膜の変形を正確に測定およびモデル化することが不可欠です。この研究は、平面レーザー誘起蛍光(PLIF)を使用して、柔軟な水中羽ばたきフィンの時間依存的な形状変形を特徴付けるためのワークフローを提示する。さまざまな剛性(0.38MPaおよび0.82MPa)を有する顔料化ポリジメチルシロキサンフィン膜が製造され、ピッチおよびロールの2つの自由度で作動するためにアセンブリに取り付けられる。PLIF画像は、スパンワイズ平面の範囲にわたって取得され、フィン変形プロファイルを取得するために処理され、時間的に変化する3D変形フィン形状を再構成するために結合される。このデータは、流体-構造相互作用シミュレーションの忠実度の高い検証を提供し、これらの複雑な推進システムの性能の理解を深めるために使用されます。

Introduction

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自然界では、多くの魚種が移動を達成するために様々な体とひれの動きを使うように進化してきました。魚の移動の原理を特定する研究は、生物学者とエンジニアが協力して水中車両用の有能な次世代推進および制御メカニズムを開発するため、バイオインスパイアされた推進システムの設計を推進するのに役立ちました。様々な研究グループがフィンの構成、形状、材料、ストロークパラメータ、および表面曲率制御技術1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12を研究している.シングルフィンおよびマルチフィンシステムにおける推力発生を理解するために、先端渦発生お....

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Protocol

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1. フィン製作

  1. 希望の形状設計に基づいてフィンモールドを構築します。
    1. フィン形状のカスタム3Dプリントされた光沢仕上げ金型を設計して構築します(図1)。金型の製作については、 補足コーディング・ファイル 1 から 4 の STL ファイルを参照してください。
    2. 3D プリントされた硬質プラスチックの最先端スパーなどの構造要素を金型に挿入します。 補足コーディング・ファイル 2 の spar の STL ファイルを参照してください。
  2. PDMS( 材料表を参照)を所望の部品比で混合する。
    1. ベースエラストマーと硬化剤の部品比(すなわち、10:1または20:1)を選択して、それぞれより高いまたはより低い弾性率を達成する。対応する量のベースと硬化剤を秤量する。
      注:本研究では、10:1および20:1(エラストマー対硬化剤)の両方を使用した。
    2. 顔料化の所望の明度に応じて、混合物全体が重量で0.1%〜1%の顔料を含むように蛍光顔料( 材料表を参照)を測定する。PDMSブレンドに顔料を追加します。
    3. 測定された量のエラストマー、硬化剤、および顔料を遊星遠心....

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Results

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台形の魚にインスパイアされた人工胸びれを、2つの異なる材料(PDMS 10:1と20:1、どちらも蛍光色素と混合)で型から鋳造し、それぞれに剛性のある前縁スパーを先頭の四分音に挿入しました(図2 と 図3)。2つのフィン材料(図3)の引張試験では、PDMS 20:1およびPDMS 10:1フィンの弾性率がそれぞれ0.38MPaおよび0.82MPaであり、両方の測定でR2 が0.99でした(対応する応力-ひずみ曲線については 補足図2 を参照)。

フィンの動きを捉えるために、集束視野のマイクロメートル対ピクセル比が125μm/ピクセルになるようにカメラを配置しました。遅延発生器は、各フィンストロークの中間点にある単一のトリガ信号に基づいて、フィンストロークごとに30等間隔の時間間隔でレーザーとカメラをトリガするように配線され、プログラムされました。フィ.......

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Discussion

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平面レーザー誘起蛍光は、典型的には、流体を染料で播種することによって水性流れを視覚化するために使用され、これはレーザーシート25、26に曝されたときに蛍光を発する。しかし、PLIFを用いて適合材料の変形を可視化することはこれまで報告されておらず、本研究では、PLIFを用いてフレキシブルソリッドフィンの高分解能形状変形の時間履歴測定値を得る手法について述べている。これらのフィン測定値をFSIシミュレーションと比較すると、数値モデルが検証され、フィンの設計と制御に計算結果を使用することにさらに自信が持てます。

適合材料に対するPLIFの制限の中で、変形特性評価には、構造内の不透明な要素(この研究における最先端の剛性スパー)による閉塞が含まれる。さらに、PLIF技術は、PDMSと水界面における光の局所入射角が関連する臨界値を超えたときに発生する全内部反射(TIR)の影響を受けます。鋳造PDMSフィンは光学的に透明ですが、水(1.33)よりもはるかに高い屈折率(1.49)を.......

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Disclosures

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著者らは開示するものは何もありません。

Acknowledgements

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この研究は、米国海軍研究所(NRL)6.2ベースプログラムを通じて海軍研究局によって支援され、Kaushik SampathがNRLの音響部門の従業員であり、Nicole XuがNRLの計算物理学および流体力学研究所でNRCリサーチアソシエイトシップ賞を受賞した間に実施されました。著者らは、Ruben Hortensius博士(TSI Inc.)の技術サポートと指導に感謝したいと思います。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ADMETコントローラADMETMTESTQuattro
Axon IISociety of Robots用マイクロコントローラ
ハードウェア Berkeley Nucleonics 遅延発生器Berkeley Nucleonics CorpModel 525BNC遅延発生器とソフトウェア
BobCat Cam ConfigImperxカメラ設定ソフトウェア
CCDカメラImperxB23404 MegaPixel
COMSOL COMSOL Inc流体-構造相互作用モデリング用商用構造力学ソフトウェア
D646WP サーボHitec36646S32ビット、デジタル、高トルク、フィンピッチ回転用防水サーボ
D840WP サーボHitec36840S32ビット、多目的、防水、フィンストローク回転
用スチールギアサーボエレクトリックピンク蛍光顔料Silc PigPMS812C
EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system)QuantelEVG00070レーザーヘッドと電源、70 mJ
フォーストランスデューサADMETSM-10-96110 lbf ロードセル
FrameLink ExpressImperxカメラキャプチャソフトウェア
Longpass 蛍光フィルターエドモンドオプティクス560 nm
MATLABMathWorks画像解析用ソフトウェア
プラネタリー遠心ミキサーTHINKY MIXERAR-100
シリコーンゴムコンパウンドモメンティブRTV615クリア PDMS
Stratasys J750Stratasys3Dプリンター、ポリジェット
万能試験機ADMETeXpert 2611テーブルトップモデル
VeroBlackStratasys3Dプリンターの素材で金型を製作
VeroGrayStratasys3Dプリンターの素材で金型を製作
フィン

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Barrett, D. S., Triantafyllou, M. S., Yue, D. K. P., Grosenbaugh, M. A., Wolfgang, M. J. Drag reduction in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics. 392, 183-212 (1999).
  2. Hobson, B. W., Murray, M. M., Pell, C. Pi....

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