Samenvatting van het proefschrift met de titel: Aerodynamics of Insect Flight

Insecten vliegen overal om ons heen. Desalniettemin, is het beantwoorden van de vraag “Hoe vliegen insecten?” lastig. In deze dissertatie zijn we vertrokken met de taak om de relatie tussen de beweging van de vleugel van een insect en de aerodynamische krachten te vinden. Hiervoor hebben we gebruik gemaakt van twee Diptera soorten as model organisme voor laag frequent hoge amplitude vliegen en hoog frequent lage amplitude vliegen.

In hoofdstuk 2, hebben we twee aerodynamische modellen gebaseerd op de pitch beweging van de vleugel herzien: de “stroke pitch interacties” en de “pitch rate” krachten. We hebben gebruik gemaakt van een grote parametrische studie gebaseerd op “computational fluid dynamics” (CFD) om de relatie tussen de kinetica en de aerodynamische krachten te achterhalen. De aerodynamische kracht als een resultaat van de pitch beweging met een constante hoeksnelheid viel uiteen in twee verschillende componenten. De eerste component is alleen afhankelijk van de pitch hoeksnelheid van de vleugel. De tweede component is een interactie tussen de “stroke” hoeksnelheid en de “pitch” hoeksnelheid. Om de invloed van de vleugelvorm te onderzoeken hebben we zeven extra vleugelvormen toegevoegd. De toevoeging van deze extra vleugelvormen lied zien dat de “stroke” interactie krachten allemaal gerelateerd zijn aan de spanwijze en koordwijze tweede oppervlakte moment. Verder waren de “pitch rate” krachten afhankelijk van de afstand tussen de “pitch” as en de symmetrie as van de vleugel.

Voor hoofdstuk 3 hebben we een soortgelijke methode als voor hoofdstuk 2 toegepast. Met deze parametrische studie hebben we de relatie tussen de aerodynamische krachten en de “stroke” beweging van de vleugel onderzocht voor een vleugel die beweegt met een niet constante “stroke” hoeksnelheid. We hebben een set vleugel bewegingen ontworpen zodat de aerodynamische krachten als resultaat van de “stroke” snelheid, “stroke” acceleratie en de interactie tussen deze twee bewegingen gevonden konden worden. We hebben een set extra vleugelvormen toegevoegd om expliciet te testen hoe de krachten afhangen van de vorm van de vleugel. De “stroke” acceleratie krachten hangen af van een schaling parameter die afhangt van de koorde en de lengte van de vleugel. Aan het einde van dit hoofdstuk hebben we gebruik gemaakt van een “quasisteady” model om ons model toe te passen op de kinetica van een fruit vlieg en een mug. Met dit model hebben we kunnen aantonen dat de stroke acceleratie prominent worden voor vliegers met een hoge frequentie, zoals muggen.

In hoofdstuk 4, zijn we nogmaal terug gegaan naar de “pitch” beweging van de vleugel. Deze keer, in tegenstelling tot in hoofdstuk 2, hebben we de “pitch” hoeksnelheid niet constant gehouden. We hebben wederom gebruik gemaakt van een systematische parametrische studie gebasseerd op “computational fluid dynamics” om de relatie tussen de “stroke rate” krachten, de “pitch rate” krachten, de “pitch” acceleratie krachten en de interactie tussen deze componenten te achterhalen. We hebben de validiteit van het tweedimensionale model getest die vaak gebruikt wordt om de “pitch” acceleratie krachten te modeleren in flappend vliegen. Verder hebben we een set van vier verschillende vleugel bewegingen toegevoegd, die ons in staat stelde om expliciet de afhankelijkheid tussen de krachten en de richting van de beweging van de vleugel te testen. Hiervan hebben we geleerd dat de krachten gegenereerd door een accelererende vleugel die ook omhoog draait niet simpel te vertalen zijn naar een model voor een vleugel die naar beneden accelereert. Met de toevoeging van zeven extra vleugel vormen hebben we laten zien dat de afstand tussen de “pitch” as en de symmetry as niet alleen van belang is voor de “pitch rate” krachten, maar ook voor de “pitch acceleration” krachten.

In hoofdstuk 5 hebben we het opstijgen van een mug gebruikt om te testen wat de invloed van het substraat is op de aerodynamische krachten. We hebben verscheidene ongevoede muggen en verscheidene gevoede muggen gesimuleerd die opstijgen van een substraat met gebruik van “computational fluid dynamics”. Met gebruik van deze simulaties hebben we kunnen aantonen dat de grond geen effect had op de aerodynamische krachten. De muggen gebruikte een combinatie van hun poot afzet krachten en de aerodynamische krachten om op te stijgen. Verder gebruikte het insect zijn poten om de “pitch” omhoog momenten te genereren tijdens het opstijgen.

In hoofdstuk 6 hebben we de kennis van de vorige hoofdstukken gebruikt en een “quasisteady” model ontwikkeld. Verder hebben we de aerodynamische krachten van een stilhangende fruit vlieg en mug gesimuleerd, wat ons een vergelijking verschafte voor het “quasisteady” model. Van deze vergelijking hebben we geleerd dat het “quasisteady” model gebasseerd op de aerodynamische mechanismes beschreven in deze dissertatie leidde tot een slechte voorspelling van de krachten. Het model lied echter wel zien dat muggen meer vertrouwen op andere aerodynamische mechanisme dan de “stroke rate” krachten. Aan het einde van hoofdstuk hoofdstuk 6 hebben we het “quasisteady” model toegepast op de kinetica van opstijgende muggen die we eerder gebruikt hebben in hoofdstuk 5. Deze keer liet het “quasisteady” model een
nog groter verschil zien met de voorspelde het model de krachten. Dit heeft ons tot de hypothese geleid dat de beweging van het lichaam van het insect ook een grote interactie heeft met de aerodynamische krachten. Als laatste hebben we de kinetica van niet gevoede en bloed gevoede muggen gebruikt. De kinetica werd langzaam veranderd van een ongevoede mug naar een bloed gevoede mug. In dit geval werd de “lift” vooral veranderd door de “stroke rate” krachten.