Etude expérimentale de la nage anguilliforme : application à un robot biomimétique

Experimental study of anguilliform swimming : application to a biomimetic robot

• Auteur / Autrice : Younes Matar
• Direction : Camille Solliec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 21/03/2013
• Etablissement(s) : Nantes, Ecole des Mines
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'ingénieur, géosciences, architecture
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés - environnement - agroalimentaire / GEPEA
• Jury : Président / Présidente : Laurent David
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Boyer, Michel Bergmann, Rafic Younes, Fabien Candelier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Eloy, Jacques-André Astolfi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anguilla (poissons)

Biologie -- Modèles mathématiques

Hydrodynamique

Robots mobiles

Mots clés libres

Nage anguilliforme

Interactions hydrodynamiques

Expérimentations PIV

Allée von-Kàrmàn BvK

Robot biomimétique

Anguilliform swimming

PIV experiments

Hydrodynamic interactions

Von-Kàrmàn street BvK

Biomimetic robot

Résumé

Pour améliorer les performances des robots sous marins, l’une des approches poursuivie par les roboticiens, appelée biomimétisme, consiste à imiter ou à s’inspirer des systèmes vivants pour concevoir des robots de nouvelle génération. C’est dans ce contexte que s’est récemment déroulé un projet européen nommé ANGELS, dont l’objectif est la réalisation d’un robot bio-inspiré de l’anguille. Ce travail expérimental s’inscrit dans ce projet et est consacré à l’étude de la nage du robot. Les expériences ont été réalisées dans un canal hydraulique conçu pour cette étude. Dans un premier temps, nous avons caractérisé par traitement d’images les allures (i.e. les lois de déformation du corps) adoptées par une anguille nageant soit dans un écoulement uniforme frontal ou dans un courant traversier. Cette étude a donné lieu à l’établissement d’un modèle mathématique corrélatif de la déformation du corps de l’anguille dans ces conditions de nage. Dans un second temps, afin d’étudier les effets de la déformation du corps sur l’écoulement latéral, produit lors de la nage, des expériences par PIV ont été réalisées sur différents modèles de cylindres elliptiques rigides. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre et de valider une approche théorique permettant de calculer la force de propulsion en réponse à la loi de déformation du corps. Enfin, des expériences portant sur la nage anguilliforme dans un écoulement de type allée de von-Kàrmàn ont été réalisées en vue d’étudier les interactions hydrodynamiques et en particulier les mécanismes d’extraction de l’énergie de l’écoulement incident. Ces expériences ont été réalisées avec une anguille et un robot anguilliforme. Les expériences menées sur le robot montrent que pour une même loi de déformation du corps, la force de propulsion générée, en comparaison avec le cas de l’écoulement uniforme, peut sous certaines conditions être augmentée de près de 30 ont, quant à elles, permis de mettre clairement en évidence une modification de l’allure de nage de l’anguille lorsqu’elle est placée dans une allée de von-Kàrmàn. L’analyse qualitative de cette nouvelle allure nous a conduit à proposer un mode particulier d’extraction d’énergie de l’écoulement.

In order to improve the performance of the submarine robots, the robotics community has been considered a new approach known as the biomimetic. It consist on the study of a living systems such, fish, to design and construct a bio-inspired robot. In this context, recently was took place an European project called ANGELS, in which the objective is to design and construct a fish-like robot inspired from the swimming of the eel. This thesis takes place in this project and is dedicate to the study of the swimming of the robot. Experiments were carried out in a hydrodynamic test bed designed and entirely set up for this study. At first,the kinematic shapes (i.e. deformation of the body) adopted by living eel during its swimming against or slantwise a uniform flow, were characterized by mean ofan image processing analysis technique. This study has allowed the establishing of a mathematical correlative model, describing the deformation of the eel’s body in these swimming conditions. Secondly, we studied the effects of the body’s deformation on the lateral flow produced during swimming. PIV experiences were carried out on different elliptic cylinder shapes. These experiments have allowed the understanding and the validation of a theoretical approach, concerning the swimming dynamic of the fish, used to obtain the propulsion force produced in reply of the body deformation during swimming. Finally, experiments were carried out during the anguilliform swimming in a non-uniform flow such as, avon-Kàrmàn vortex street. The goal was to study the hydrodynamics interactions and in particular the mechanisms of the exploited vortices adopted by fish. These experiences were realized on the swimming of a living eel and an anguilliform robot. Experiments led on the robot show that under certain conditions, the propulsive force of the robot swimming in a von-Kàrmàn vortex street can be increased of about 30 comparison to its swimming in a uniform flow. Experiments with eel have allowed the highlighting of a particular shape of its body deformation formed when it’s swimming in a reverse von-Kàrmàn vortex street. The qualitative analysis realized on this kinematic observation led us to propose a mechanism adopted by the eel to exploited energy from altered flow.