Elastic Reconfiguration of Bending and Twisting Rods in Air Flow

Les plantes sont généralement flexibles et se déforment significativement lorsqu'elles sont soumises à un écoulement aérodynamique. Ce changement de forme, qui généralement réduit la traînée, est appelée reconfiguration. Plusieurs études dans la littérature ont apporté une compréhension fondamentale de la reconfiguration des plantes en la modélisant comme une poutre en flexion. Bien que cette approche permette de capturer l'essence de la flèche bidimensionnelle des plantes, leur flèche tridimensionnelle est ignorée. En effet, en raison de leur structure fibreuse, les plantes se tordent significativement sous un écoulement, montrant une reconfiguration tridimensionnelle. De plus, de nombreuses plantes ont une morphologie chirale, ce qui induit une flèche très complexe. Le présent travail de recherche vise à étudier l'effet de la torsion et de la chiralité dans la reconfiguration des plantes en combinant expérimentation et modélisation pour comprendre comment une tige élastique se plie et se tord avec grande amplitude sous le vent. Pour l'étude expérimentale, des tiges composites sont fabriquées en mousse de polyuréthane et renforcées à l'aide de fibres de nylon qui apportent un couplage de torsion-flexion à la structure finale. Pour reproduire une structure chirale, les fibres suivent un patron hélicoïdal le long dans la tige. Afin d'enrichir l'étude expérimentale, des rubans chiraux en plastique ABS sont aussi conçues. Tous les spécimens sont testés dans une soufflerie sous différentes conditions d'écoulement. Pour l'étude numérique, la reconfiguration tridimensionnelle des tiges et des rubans sera simulée utilisant la théorie de tiges de Kirchhoff couplée avec une formulation semi-empirique pour introduire les forces aérodynamiques. Les résultats de ces études montrent que ces structures, fortement anisotropes, se tordent pour ensuite fléchir selon la direction de moindre rigidité en flexion. De plus, la reconfiguration tridimensionnelle d'une tige peut être caractérisée par une flexion bidimensionnelle en choisissant le bon ensemble de paramètres adimensionnelles. Il est aussi constaté que les rubans chiraux font face à un compromis, en fonction la configuration géométrique, entre la résistance au flambage plus élevé mais aussi le moment de flexion plus élevé à la base. Finalement, la chiralité rend la flèche de ces structures moins dépendante de la direction de chargement.