Une équipe de biologistes et d'ingénieurs évolutionnistes à Harvard, ont démontré une nouvelle, structure inspirée de la peau de requin qui pourrait améliorer les performances aérodynamiques des avions, éoliennes, drones et voitures. Crédit :James Weaver/Université Havard
Pour construire des machines plus aérodynamiques, les chercheurs s'inspirent d'une source improbable :l'océan.
Une équipe de biologistes et d'ingénieurs évolutionnistes de l'Université Harvard, en collaboration avec des collègues de l'Université de Caroline du Sud, ont fait la lumière sur un mystère vieux de plusieurs décennies sur la peau de requin et, Dans le processus, démontré une nouvelle, structure bio-inspirée qui pourrait améliorer les performances aérodynamiques des avions, éoliennes, drones et voitures.
La recherche est publiée dans le Journal de la Royal Society Interface .
Les requins et les avions ne sont pas vraiment différents. Les deux sont conçus pour se déplacer efficacement dans les fluides (eau et air), en utilisant la forme de leur corps pour générer de la portance et réduire la traînée. La différence est, les requins ont environ 400 millions d'années d'avance sur le processus de conception.
"La peau des requins est couverte de milliers et de milliers de petites écailles, ou denticules, qui varient en forme et en taille autour du corps, " dit Georges Lauder, le professeur Henry Bryant Bigelow d'ichtyologie et professeur de biologie au département de biologie organique et évolutive, et co-auteur de la recherche. "Nous en savons beaucoup sur la structure de ces denticules - qui sont très similaires aux dents humaines - mais la fonction a été débattue."
La plupart des recherches se sont concentrées sur les propriétés de réduction de la traînée des denticules, mais Lauder et son équipe se sont demandé s'il y avait plus à l'histoire.
"Nous avons demandé, et si au lieu de réduire principalement la traînée, ces formes particulières étaient en fait mieux adaptées pour augmenter la portance, " a déclaré Mehdi Saadat, un boursier postdoctoral à Harvard et co-premier auteur de l'étude. Saadat est titulaire d'un poste conjoint en génie mécanique à l'Université de Caroline du Sud.
Image au microscope électronique à balayage environnemental (ESEM) des denticules du requin mako à nageoires bleues (barre d'échelle :200 mm). Crédit :Université de Harvard
Pour aider à tester cette hypothèse, les chercheurs ont collaboré avec une équipe d'ingénieurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Pour l'inspiration, ils se sont tournés vers le requin mako, le requin le plus rapide du monde. Les denticules du mako ont trois crêtes surélevées, comme un trident. À l'aide d'un micro-scanner, l'équipe a imagé et modélisé les denticules en trois dimensions. Prochain, ils ont imprimé en 3D les formes sur la surface d'une aile avec une section transversale aérodynamique incurvée, connu sous le nom de profil aérodynamique.
"Les profils aérodynamiques sont un composant principal de tous les dispositifs aériens, " dit August Domel, un doctorat étudiant à Harvard et co-premier auteur de l'article. « Nous voulions tester ces structures sur des profils aérodynamiques afin de mesurer leur effet sur la portance et la traînée pour des applications dans la conception de divers dispositifs aériens tels que des drones, avions, et des éoliennes."
Les chercheurs ont testé 20 configurations différentes de tailles de denticules, rangs et positions des rangs sur les profils aérodynamiques à l'intérieur d'un réservoir d'écoulement d'eau. Ils ont découvert qu'en plus de réduire la traînée, les structures en forme de denticules ont considérablement augmenté la portance, agissant en tant que haute puissance, générateurs de vortex à profil bas.
Même si vous ne savez pas ce qu'est un générateur de vortex, vous en avez vu un en action. Les voitures et les avions sont équipés de ces petits, dispositifs passifs conçus pour modifier le flux d'air sur la surface d'un objet en mouvement pour le rendre plus aérodynamique. La plupart des générateurs de vortex sur le terrain ont aujourd'hui un conception en forme de lame.
"Ces générateurs de vortex inspirés des requins permettent d'améliorer le rapport portance/traînée jusqu'à 323% par rapport à un profil aérodynamique sans générateurs de vortex, " a déclaré Domel. "Avec ces preuves de conception, nous avons démontré que ces générateurs de vortex bio-inspirés ont le potentiel de surpasser les conceptions traditionnelles. »
"Vous pouvez imaginer ces générateurs de vortex utilisés sur des éoliennes ou des drones pour augmenter l'efficacité des pales, " a déclaré Katia Bertoldi, William et Ami Kuan Danoff, professeur de mécanique appliquée à SEAS et co-auteur de l'étude. « Les résultats ouvrent de nouvelles voies d'amélioration, conceptions aérodynamiques bio-inspirées."
"Cette recherche décrit non seulement une nouvelle forme pour les générateurs de vortex, mais donne également un aperçu du rôle des denticules de requin complexes et potentiellement multifonctionnels, " dit Lauder.
