Experimentelle Quantifizierung und numerische Simulation instationärer Strömungsverhältnisse bei Freiflugmanövern von Insekten

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Im Gegensatz zum konventionellen Propellerantrieb und starren Flügeln sind die am schlagenden Flügel entstehenden instationären Strömungsstrukturen und die damit verbundene Erzeugung der aerodynamischen Kräfte bislang unzureichend erforscht. Die seit kurzem eingeleitete Entwicklung autonomer biomimetischer Flugroboter (Micro Air Vehicles, MAV) versucht zudem, die Eigenschaften von fliegenden Tieren in technische Anwendungen zu übertragen. In diesem Zusammenhang wird die Auftriebserzeugung mittels oszillierender Flügel der Insekten als vielversprechendes Konzept für hohe Manövrierleistungen angesehen. In den vergangenen 5 Jahren wurden für den Schwebflug von Insekten zahlreiche, neue aerodynamische Phänomene entdeckt und vor dem Hintergrund des Schlagflugs für Konzepte der Flugkontrolle diskutiert. Bis heute weitgehend unverstanden sind jedoch die komplizierten Wechselwirkungen zwischen Flügelbewegungen und induzierter Strömung bei Flugmanövern, bei der Strömungsmuster durch die Eigenbewegung der Tiers im Raum verändert werden. Die Beeinflussung von Strömungen im Manövrierflug soll hier auf zwei Ebenen untersucht werden: (i) durch experimentelle Quantifizierung schneller Freiflugmanöver von Fliegen und Libellen in speziell dafür ausgelegten Flugparcours mittels Hochgeschwindigkeitskameras und zeitauflösender Stereo Digital Particle Image Velocimetry Technik (T3D-DPIV) zur Erfassung der Bewegungsdynamik des Körpers, Flügelbewegung und Strömungsfelder und (ii) durch numerische Simulation der Strömung mit einem hochauflösenden Spektral-hp Elemente Verfahren basierend auf den gemessenen Verhaltensdaten. Dieser biologisch-technische Ansatz bietet dabei die Möglichkeit, die instationären Strömungsvorgänge beim Insektenflug und die dabei erzeugten Kräfte und Momente im Detail zu analysieren und die numerischen Vorhersagen im Vergleich mit Experimenten zu validieren.