Shark skin inspires new structure for improved aerodynamics / La pelle di squalo ispira una nuova struttura per migliorare l'aerodinamica

Shark skin inspires new structure for improved aerodynamics / La pelle di squalo ispira una nuova struttura per migliorare l'aerodinamica

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Denticles / dentelli.

A study of shark skin has led to a new structure that could one day improve the aerodynamic performance of planes, wind turbines, and cars.

Evolutionary biologists and engineers at Harvard University have found that the composition of shark skin could help improve the aerodynamic performance of aerofoils. The research, carried out with colleagues at the University of South Carolina, is published in the Journal of the Royal Society Interface.
“The skin of sharks is covered by thousands and thousands of small scales, or denticles, which vary in shape and size around the body,” said George Lauder, the Henry Bryant Bigelow Professor of Ichthyology and Professor of Biology in Harvard’s Department of Organismic and Evolutionary Biology, and co-author of the research. “We know a lot about the structure of these denticles – which are very similar to human teeth – but the function has been debated.”
To date, most research has focused on the drag reducing properties of denticles but the latest work has considered whether they are better suited for increasing lift.
To help test that hypothesis, the researchers collaborated with engineers from the Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) to recreate the denticles of the shortfin mako, which is the world’s fastest shark.
Using micro-CT scanning, the team imaged and modelled the denticles in three dimensions, then 3D printed the shapes on the suction side of an aerofoil.
“Aerofoils are a primary component of all aerial devices,” said August Domel, a PhD student at Harvard and co-first author of the paper. “We wanted to test these structures on aerofoils as a way of measuring their effect on lift and drag for applications in the design of various aerial devices such as drones, airplanes, and wind turbines.”
The researchers tested 20 different configurations of denticle sizes, rows and row positions on aerofoils inside a water flow tank. They found that in addition to reducing drag, the denticle-shaped structures increased lift, acting as high-powered, low-profile vortex generators that alter the airflow over the surface of a moving object to make it more aerodynamic.
“These shark-inspired vortex generators achieve lift-to-drag ratio improvements of up to 323 per cent compared to an aerofoil without vortex generators,” said Domel.
According to the team’s paper, this is enabled by two simultaneous mechanisms: a separation bubble in the denticle’s wake altering the flow pressure distribution of the aerofoil to enhance suction; and streamwise vortices that replenish momentum loss in the boundary layer due to skin friction.
“You can imagine these vortex generators being used on wind turbines or drones to increase the efficiency of the blades,” said Katia Bertoldi, William and Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics at SEAS and co-author of the study. “The results open new avenues for improved, bioinspired aerodynamic designs.”

Caption: Environmental scanning electron microscope image of denticles from the shortfin mako shark (a) and (its corresponding parametric 3D model (b). These denticles were arranged in a wide range of different configurations on an aerofoil, two examples of which are shown here (c,d ). (Image courtesy of Harvard University) / Didascalia: Immagine del microscopio elettronico a scansione ambientale dei denticoli dello squalo mako (a) e del modello 3D parametrico corrispondente (b). Questi denticoli sono stati disposti in una vasta gamma di configurazioni diverse su un profilo alare, due dei quali sono mostrati qui (c, d). (Immagine per gentile concessione dell'Università di Harvard)

ITALIANO

Uno studio sulla pelle degli squali ha portato a una nuova struttura che potrebbe un giorno migliorare le prestazioni aerodinamiche di aerei, turbine eoliche e automobili.

I biologi e gli ingegneri evoluzionisti dell'Università di Harvard hanno scoperto che la composizione della pelle degli squali potrebbe contribuire a migliorare le prestazioni aerodinamiche dei profili aerodinamici. La ricerca, condotta con colleghi dell'Università della Carolina del Sud, è pubblicata sul Journal of the Royal Society Interface.
"La pelle degli squali è ricoperta da migliaia e migliaia di piccole squame, o dentellature, che variano per forma e dimensioni in tutto il corpo", ha detto George Lauder, il professore di Ittiologia e Professore di Biologia di Henry Bryant Bigelow nel Dipartimento di Organismo di Harvard e Biologia evolutiva e co-autore della ricerca. "Sappiamo molto sulla struttura di questi dentelli - che sono molto simili ai denti umani - ma la funzione è stata discussa".
Ad oggi, la maggior parte delle ricerche si è concentrata sulle proprietà riducenti la resistenza dei denticoli, ma il lavoro più recente ha considerato se siano più adatti per aumentare la risalita.
Per aiutare a testare questa ipotesi, i ricercatori hanno collaborato con gli ingegneri della Harvard John A. Paulson School of Engineering e Applied Sciences (SEAS) per ricreare i denticoli del mako a pinna corta, che è lo squalo più veloce del mondo.
Utilizzando la scansione micro-CT, il team ha immaginato e modellato i denticoli in tre dimensioni, quindi ha stampato le forme 3D sul lato di aspirazione di un profilo.
"Le alette di aerofolo sono una componente primaria di tutti i dispositivi aerei", ha detto August Domel, uno studente di dottorato presso la Harvard e co-autore del documento. "Volevamo testare queste strutture sui profili aerodinamici come un modo per misurare il loro effetto sul sollevamento e la resistenza per applicazioni nella progettazione di vari dispositivi aerei come droni, aeroplani e turbine eoliche".
I ricercatori hanno testato 20 diverse configurazioni di dimensioni del dentello, righe e posizioni di fila su alette aeree all'interno di un serbatoio di scorrimento dell'acqua. Hanno scoperto che oltre a ridurre la resistenza, le strutture a forma di dentello aumentavano il sollevamento, agendo come generatori di vortici a basso profilo ad alta potenza che alterano il flusso d'aria sulla superficie di un oggetto in movimento per renderlo più aerodinamico.
"Questi generatori di vortici di ispirazione degli squali raggiungono un miglioramento del rapporto portanza-resistenza fino al 323% rispetto a un profilo senza generatori di vortici", ha affermato Domel.
Secondo l'articolo del gruppo, ciò è reso possibile da due meccanismi simultanei: una bolla di separazione nella scia del dentello che altera la distribuzione della pressione del flusso del profilo aerodinamico per migliorare l'aspirazione; e vortici streamwise che ripristinano la perdita di quantità di moto nello strato limite a causa dell'attrito cutaneo.
"Si può immaginare che questi generatori di vortici saranno utilizzati su turbine eoliche o droni per aumentare l'efficienza delle pale", ha dichiarato Katia Bertoldi, William e Ami Kuan Danoff, professore di Meccanica applicata presso il SEAS e coautore dello studio. "I risultati aprono nuove strade per progetti aerodinamici bioispirati migliorati".

Da:

https://www.theengineer.co.uk/shark-skin-aerodynamics/?cmpid=tenews_4728787&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E