Method Article

Flapping Soft Fin Deformation Modeling met behulp van Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging

DOI:

10.3791/63784

⸱

April 28th, 2022

 ,  ,  ,  , 
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

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

Het huidige protocol omvat de meting en karakterisering van 3D-vormvervorming in onderwaterflappende vinnen gebouwd met polydimethylsiloxaan (PDMS) materialen. Nauwkeurige reconstructie van deze vervormingen is essentieel voor het begrijpen van de voortstuwingsprestaties van conforme klapperende vinnen.

Abstract

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

Voortstuwingsmechanismen geïnspireerd op de vinnen van verschillende vissoorten zijn in toenemende mate onderzocht, gezien hun potentieel voor verbeterde manoeuvreer- en stealth-mogelijkheden in onbemande voertuigsystemen. Zachte materialen die worden gebruikt in de membranen van deze vinmechanismen zijn effectief gebleken in het verhogen van stuwkracht en efficiëntie in vergelijking met meer stijve structuren, maar het is essentieel om de vervormingen in deze zachte membranen nauwkeurig te meten en te modelleren. Deze studie presenteert een workflow voor het karakteriseren van de tijdsafhankelijke vormvervorming van flexibele onderwaterflappende vinnen met behulp van planaire laser-geïnduceerde fluorescentie (PLIF). Gepigmenteerde polydimethylsiloxaanvinmembranen met verschillende stijfheiden (0,38 MPa en 0,82 MPa) worden vervaardigd en gemonteerd op een assemblage voor bediening in twee vrijheidsgraden: pitch en roll. PLIF-beelden worden verkregen over een reeks spanwise vlakken, verwerkt om vinvervormingsprofielen te verkrijgen en gecombineerd om tijdsafhankelijke 3D-vervormde vinvormen te reconstrueren. De gegevens worden vervolgens gebruikt om high-fidelity validatie te bieden voor vloeistof-structuur interactie simulaties en het verbeteren van het begrip van de prestaties van deze complexe voortstuwingssystemen.

Introduction

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

In de natuur zijn veel vissoorten geëvolueerd om een verscheidenheid aan lichaams- en vinbewegingen te gebruiken om voortbeweging te bereiken. Onderzoek om de principes van de voortbeweging van vissen te identificeren, heeft bijgedragen aan het ontwerp van bio-geïnspireerde voortstuwingssystemen, omdat biologen en ingenieurs hebben samengewerkt om capabele voortstuwings- en controlemechanismen van de volgende generatie voor onderwatervoertuigen te ontwikkelen. Verschillende onderzoeksgroepen hebben vinconfiguraties, vormen, materialen, slagparameters en oppervlaktekrommingscontroletechnieken bestudeerd 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Fin fabricage

  1. Bouw een vinmal op basis van het gewenste vormontwerp.
    1. Ontwerp en bouw een aangepaste 3D-geprinte glanzend afgewerkte mal met vinvorm (figuur 1). Zie STL-bestanden voor het fabriceren van de mal in Aanvullende coderingsbestanden 1-4.
    2. Plaats structurele elementen in de mal, zoals een 3D-geprinte stijve kunststof leading-edge spar. Zie het STL-bestand van de spar in Aanvullend Coderingsdossier 2.
  2. Meng PDMS (zie Materiaaltabel) in de gewenste onderdeelverhouding.
    1. Selecteer de onderdeelverhouding van....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Een trapeziumvormige vis-geïnspireerde kunstmatige borstvin werd gegoten in twee verschillende materialen (PDMS 10: 1 en 20: 1, beide gemengd met fluorescerende kleurstof) uit een mal, elk met een stijve leading-edge spar ingevoegd in het leidende kwart akkoord (figuur 2 en figuur 3). Trekproeven van de twee vinmaterialen (figuur 3) leverden elastische moduli op van respectievelijk 0,38 MPa en 0,82 MPa voor de PDMS 20:1- en PDMS 10:.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Planaire laser-geïnduceerde fluorescentie wordt meestal gebruikt om waterige stromen te visualiseren door de vloeistof te zaaien met kleurstof, die fluoresceert bij blootstelling aan een laserplaat25,26. Het gebruik van PLIF om vervormingen in conforme materialen te visualiseren is echter niet eerder gemeld, en deze studie beschrijft een aanpak voor het verkrijgen van tijdgeschiedenismetingen van vormvervorming met hoge resolutie in flexibele vaste vinnen met beh.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

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

Dit onderzoek werd ondersteund door het Office of Naval Research via een US Naval Research Laboratory (NRL) 6.2 basisprogramma en uitgevoerd terwijl Kaushik Sampath een medewerker was van de Acoustics Division bij NRL en Nicole Xu een NRC Research Associateship award hield in de Laboratories for Computational Physics and Fluid Dynamics bij NRL. De auteurs willen Dr. Ruben Hortensius (TSI Inc.) bedanken voor technische ondersteuning en begeleiding.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ADMET controllerADMETMTESTQuattro
Axon IISociety of RobotsMicrocontroller for the fin hardware
Berkeley Nucleonics Delay GeneratorBerkeley Nucleonics CorpModel 525BNC delay generator and software
BobCat Cam ConfigImperxCamera settings software
CCD cameraImperxB23404 MegaPixel
COMSOLCOMSOL IncCommercial structural dynamics software for fluid-structure interaction modeling
D646WP ServoHitec36646S32-Bit, Digital, High Torque, Waterproof Servo for the fin pitch rotation
D840WP ServoHitec36840S32-Bit, Multi Purpose, Waterproof, Steel Gear Servo for the fin stroke rotation
Electric Pink fluorescent pigmentSilc PigPMS812C
EverGreen (532 nm dual pulsed Nd:YAG laser system)QuantelEVG00070Laser head and power supply, 70 mJ
Force transducerADMETSM-10-96110 lbf load cell
FrameLink ExpressImperxCamera capture software
Longpass fluorescence filterEdmund Optics560 nm
MATLABMathWorksSoftware for image analysis
Planetary centrifugal mixerTHINKY MIXERAR-100
Silicone rubber compoundsMomentiveRTV615Clear PDMS
Stratasys J750Stratasys3D printer, polyjet
Universal testing machineADMETeXpert 2611Table top model
VeroBlackStratasys3D printer material to build the molds
VeroGrayStratasys3D printer material to build the molds

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....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Flapping Fin ModelingSoft Robotic FinsPlanar Laser Induced FluorescenceFin Deformation ImagingFluid Structure InteractionFlexible Fin MembranesPDMS Fin MembranesFin Kinematics3D Shape ReconstructionUnderwater Propulsion

Related Articles