A Free-swimming simulation of water strider

アメンボの遊泳シミュレーション

青木 尊之*; 吉泉 瑛*; 松下 真太郎*; 杉原 健太 

Aoki, Takayuki*; Yoshiizumi, Akira*; Matsushita, Shintaro*; Sugihara, Kenta

アメンボが水面を泳ぐのは、表面張力を利用した典型的な運動である。アメンボは手漕ぎボートのように中脚を前後に動かすことで推進力を得ている。アメンボの自由遊泳を、中脚のストローク運動を与えることで計算する。細い脚は直径100mで、水との相互作用を計算するために必要なメッシュ解像度は10m以下であるが、アメンボは1ストロークで10cm以上泳ぐことが多い。我々は、ツリーベースのAMR(Adaptive Mesh Refinement)法を用いて、脚の周りに動的に高解像度のメッシュを割り当て、アメンボが泳ぐシミュレーションを行った。流体力学には弱圧縮性流れスキームに基づく気液二相流モデルを採用し、水と移動する脚の相互作用を考慮するために埋め込み境界法を導入する。その結果、遊泳推進力は、中脚の後方運動中に前側と後側の毛管力の不均衡によって発生することがわかった。

Swimming of water striders on water surface is a typical motion utilizing surface tension forces. A water strider has a propulsion by moving the middle leg back and forth such as rowing boat. We compute the free swimming of water stride by giving the stroke motion of middle leg. The thin legs are 100 um in diameter and less than 10 um mesh resolution is required to compute the interaction with the water, however water striders often swim more than 10cm by one stroke. We carry out a simulation for a water strider swimming using the tree-based AMR (Adaptive Mesh Refinement) method to assign dynamically high-resolution meshes around legs. We employ a gas-liquid two-phase flow model based on a weakly compressible flow scheme for the fluid dynamics and introduce the direct forcing immersed boundary method to take into consideration of the interaction between water and moving legs. It is found that the swimming propulsion is generated due to the imbalance of the front-side and back-side capillary forces during the backward motion of the middle legs.