Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Passive appendages generate drift through symmetry breaking
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics, Stability, Transition and Control. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW.ORCID iD: 0000-0003-3094-0848
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Solid Mechanics (Dept.). KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW.
Show others and affiliations
2014 (English)In: Nature Communications, ISSN 2041-1723, E-ISSN 2041-1723, Vol. 5, 5310- p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Plants and animals use plumes, barbs, tails, feathers, hairs and fins to aid locomotion. Many of these appendages are not actively controlled, instead they have to interact passively with the surrounding fluid to generate motion. Here, we use theory, experiments and numerical simulations to show that an object with a protrusion in a separated flow drifts sideways by exploiting a symmetry-breaking instability similar to the instability of an inverted pendulum. Our model explains why the straight position of an appendage in a fluid flow is unstable and how it stabilizes either to the left or right of the incoming flow direction. It is plausible that organisms with appendages in a separated flow use this newly discovered mechanism for locomotion; examples include the drift of plumed seeds without wind and the passive reorientation of motile animals.

Place, publisher, year, edition, pages
Nature Publishing Group, 2014. Vol. 5, 5310- p.
Keyword [en]
Reynolds-Number, Soap Film, Flows, Fluid, Cylinder, Forces, Body
National Category
Other Engineering and Technologies
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-157216DOI: 10.1038/ncomms6310ISI: 000344061600001Scopus ID: 2-s2.0-84923335171OAI: oai:DiVA.org:kth-157216DiVA: diva2:769747
Funder
Swedish Research Council, VR-2010-3910
Note

QC 20141209

Available from: 2014-12-09 Created: 2014-12-08 Last updated: 2017-12-05Bibliographically approved
In thesis
1. Nature-inspired passive flow control using various coatings and appendages
Open this publication in new window or tab >>Nature-inspired passive flow control using various coatings and appendages
2015 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Passiv styrning av strömmning inspirerad av naturen
Abstract [en]

There is a wide variety of tails, fins, scales, riblets and surface coatings, which are used by motile animals in nature. Since organisms currently living on earth have gone through millions of years of evolution, one can expect that their design is optimal for their tasks, including locomotion. However, the exterior of living animals has range of different functions, from camouflage to heat insulation; therefore it is a very challenging task to isolate mechanisms, which are beneficial to reduce the motion resistance of the body.

There are two general categories of mechanisms existing in locomotion and flow control. The first is active flow control, when an organism is actively moving some parts or the whole body (exerts energy) in order to modify the surrounding flow field (for example, flapping bird wings). The second is passive flow control, in which an organism has an appendage or a coating, which is not actively controlled (no energy is spent), but is interacting with surrounding flow in a beneficial way. Our aim is to find novel mechanisms for passive flow control.

We start by looking at a simple model of an appendage (splitter plate) behind a bluff body (circular cylinder). If a recirculation region forms behind the body, already in this simple system there is a symmetry breaking effect for sufficiently short plates, which passively generates turn and drift of the body. We have found that this effect is caused by the pressure forces in the recirculation region, which pushes the plate away from the vertical in a manner similar to how a straight inverted pendulum falls under the influence of gravity. In order to investigate this symmetry breaking, we developed an extension of the immersed boundary projection method, in which the rigid body dynamics and fluid dynamics are coupled implicitly. The method is capable of solving for particle motion in a fluid for very small density ratios. We also explain our findings by a simple yet quantitative reduced-order model and soap-film experiments.

To extend our work, we investigate flow around bodies, which are coated by a porous and elastic material. We have analysed various theoretical approaches to modeling a coating in a continuous manner. We aim to solve the governing equations numerically. We have selected multi-scale expansion approach, of which we present some initial results. 

Abstract [sv]

Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Evolutionen har främjat ojämna, sträva eller gropiga ytor, vilka har en tendens att minska det totala motståndet som uppstår när en kropp rör sig i vatten eller luft, jämfört med en helt slät och jämn yta.Det finns två kategorier av metoder för manipulering av strömning (så kallad flödeskontroll). Den första är en aktiv metod, där organismer aktivt rör hela eller delar av kroppen (förbrukar energi) för att manipulera omgivande strömningsfält. Den andra metoden är passiv, där organismer har utväxter eller ytbeläggningar som de inte är aktivt har kontroll över (ingen energi förbrukas), men som samverkar med omgivande strömningsfält på ett fördelaktigt sätt. Vårt mål är att hitta nya mekanismer för passiv flödeskontroll.Vi börjar med att studera en enkel modell för hur en utväxt samverkar med en strömmande fluid genom att fästa en platta på en cirkulär cylinder. Om en vak (så-kallad återcirkulationsregion) bildas bakom kroppen, bryts symmetrin i strömningsfältet då plattan är tillräckligt kort. Som en konsekvens av detta roterar kroppen och driver i sidled. Vi visar att detta fenomen orsakas av tryckkrafter i återcirkulationsregionen, som förskjuter plattan från dess vertikala läge. Vi argumenterar att denna mekanism är samma mekanism som får en inverterad pendel att falla under inverkan av gravitation. För att analysera symmetribrytningen, utvecklade vi en numerisk metod (immersed boundary projection method), som implicit kopplar stelkropps- och strömningsdynamik. Med hjälp av denna metod kan vi simulera partiklar i fluider med väldigt låga densitetsskillnader. Våra resultat förklaras även med hjälp av en enkel modell av låg ordning och med hjälp av såphinneexperiment.Som nästa steg i vårt arbete, ämnar vi att studera strömningen kring kroppar som är belagda av tät, porös och elastisk beläggning. Vi har analyserat möjliga tillvägagångssätt för att modellera beläggningar med kontinuumteori. Vi har valt en metod baserad på en flerskalig expansionsmetod, från vilken vi presenterar våra preliminära resultat.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. x, 17 p.
Series
TRITA-MEK, ISSN 0348-467X ; 2014:28
Keyword
flow control, passive appendage, surface coating, pressure drag, friction drag, Flödeskontroll, passiva bihang, ytbeläggning, tryckmotstånd, friktionsmotstånd
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-158319 (URN)978-91-7595-427-1 (ISBN)
Presentation
2015-01-29, D3, Lindstedtsvägen 5, Stockholm, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research Council, VR-2010-3910
Note

QC 20150119

Available from: 2015-01-19 Created: 2015-01-07 Last updated: 2015-01-19Bibliographically approved
2. Models of porous, elastic and rigid materials in moving fluids
Open this publication in new window or tab >>Models of porous, elastic and rigid materials in moving fluids
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Modeller av porösa, elastiska och stela material i strömmande fluider
Abstract [en]

Tails, fins, scales, and surface coatings are used by organisms for various tasks, including locomotion. Since millions of years of evolution have passed, we expect that the design of surface structures is optimal for the tasks of the organism. These structures serve as an inspiration in this thesis to identify new mechanisms for flow control. There are two general categories of fluid-structure-interaction mechanisms. The first is active interaction, where an organism actively moves parts of the body or its entire body in order to modify the surrounding flow field (e.g., birds flapping their wings). The second is passive interaction, where appendages or surface textures are not actively controlled by the organism and hence no energy is spent (e.g., feathers passively moving in the surrounding flow). Our aim is to find new passive mechanisms that interact with surrounding fluids in favourable ways; for example, to increase lift and to decrease drag.

In the first part of this work, we investigate a simple model of an appendage (splitter plate) behind a bluff body (circular cylinder or sphere). If the plate is sufficiently short and there is a recirculation region behind the body, the straight position of the appendage becomes unstable, similar to how a straight vertical position of an inverted pendulum is unstable under gravity. We explain and characterize this instability using computations, experiments and a reduced-order model. The consequences of this instability are reorientation (turn) of the body and passive dispersion (drift with respect to the directionof the gravity). The observed mechanism could serve as a means to enhance locomotion and dispersion for various motile animals and non-motile seeds.

In the second part of this thesis, we look into effective models of porous and poroelastic materials. We use the method of homogenization via multi-scale expansion to model a poroelastic medium with a continuum field. In particular, we derive boundary conditions for the velocity and the pressure at the interface between the free fluid and the porous or poroelastic material. The results obtained using the derived boundary conditions are then validated with respect to direct numerical simulations (DNS) in both two-dimensional and three-dimensional settings. The continuum model – coupled with the necessary boundary conditions – gives accurate predictions for both the flow field and the displacement field when compared to DNS.

Abstract [sv]

Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Eftersom djuren har genomgått miljontals år av evolution, kan man förvänta sig att ytstrukturernas form är optimala för organismens uppgifter. Dessa strukturer tjänar som inspiration i denna avhandling för att identifiera nya mekanismer för manipulering av strömning.

Samverkan mellan fluider och strukturer (så kallad fluid-struktur-interaktion) kan delas upp i två kategorier. Den första typen av samverkan är aktiv, vilket innebär att en organism aktivt rör hela eller delar av sin kropp för att manipulera det omgivande strömningsfältet (till exempel fåglar som flaxar sina vingar). Den andra typen är passiv samverkan, där organismer har utväxter (svansar, fjärdar, etc.) eller ytbeläggningar som de inte aktivt har kontroll över och som således inte förbrukar någon energi. Ett exempel är fjädrar som passivt rör sig i det omgivande flödet. Vårt mål är att hitta nya passiva mekanismer som växelverkar med den omgivande fluiden på ett fördelaktigt sätt, exempelvis genom att öka lyftkraften eller minska luftmotståndet.

I den första delen av detta arbete undersöker vi en enkel modell för en utväxt (i form av en platta) bakom en cirkulär cylinder eller sfär. Om plattan är tillräckligt kort och om det finns ett vak bakom kroppen kommer det upprätta läget av plattan att vara instabilt. Denna instabilitet är i princip samma som uppstår då man försöker balansera en penna på fingret. Vi förklarar den bakomliggande mekanismen av denna instabilitet genom numeriska beräkningar, experiment och en enkel modell med tre frihetsgrader. Konsekvenserna av denna instabilitet är en omorientering (rotation) av kroppen och en sidledsförflyttning av kroppen i förhållande till tyngdkraftens riktning. Denna mekanism kan användas djur och frön för att öka deras förmåga att förflytta eller sprida sig i vatten eller luft.

I den andra delen av avhandlingen studerar vi modeller av porösa och elastiska material. Vi använder en mångskalig metod för att modellera det poroelastiska materialet som ett kontinuum. Vi härleder randvillkor för både hastighetsfältet och trycket på gränssnittet mellan den fria fluiden och det poroelastiska materialet. Resultaten som erhållits med de härledda randvillkoren valideras sedan genom direkta numeriska simuleringar (DNS) för både två- och tredimensionella fall. Kontinuumsmodellen av materialet kopplad genom randvillkoren till den fria strömmande fluiden predikterar strömnings- och förskjutningsfält noggrant i jämförelse med DNS.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2016. 55 p.
Series
TRITA-MEK, ISSN 0348-467X ; 2016:15
Keyword
fluid-structure-interaction, flow control, passive appendages, homogenization, poroelastic coatings, separated flows, surface-fluid interface, fluid-struktur-interaktion, flödeskontroll, passiva utväxter, homogenisering, ytbeläggning, separerade strömning, ytbeläggning-strömning gränssnitt
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-195679 (URN)978-91-7729-140-4 (ISBN)
Public defence
2016-12-02, Kollegisalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research Council, VR-2010- 3910,VR-2014-5680Göran Gustafsson Foundation for promotion of scientific research at Uppala University and Royal Institute of Technology
Available from: 2016-11-08 Created: 2016-11-07 Last updated: 2016-11-10Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1983 kB)75 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1983 kBChecksum SHA-512
caf2d0eb1ca2b7ab663f9fba11c0d08b5dc62060e8e0f3652f95d7ebfaf3bce1fe6db3757a7bbf68a36a0ac852669025fa15024937a83af516b0bb59d1c00931
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopusPublisher's website

Authority records BETA

Lacis, UgisBagheri, Shervin

Search in DiVA

By author/editor
Lacis, UgisBrosse, NicolasLundell, FredrikBagheri, Shervin
By organisation
Stability, Transition and ControlLinné Flow Center, FLOWSolid Mechanics (Dept.)Mechanics
In the same journal
Nature Communications
Other Engineering and Technologies

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 75 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 191 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf