Projet Biomimétisme : peau de requin

Contexte

La peau de requin est recouverte de denticules cutanées aussi appelées riblets qui font environ 500 micromètres et ont une forme particulière créant des rainures à leur surface et des reliefs entre elles. Les rainures guident l’eau qui glisse sur la peau ce qui réduit les turbulences, tandis que les reliefs créent des micro-vortex qui collent l’eau à la peau limitant la dépression. Cette combinaison permet au requin de nager plus vite en dépensant moins d’énergie. Cette forme rugueuse et ces vortex ont aussi une propriété antibactérienne appelée anti-fouling.

Structure microscopique des denticules cutanées (riblets) d’une peau de requin.

Modélisation

La modélisation 3D a été faite sur le logiciel Xgenerative Design. L’objectif a été de recréer des riblets de façon fidèle à la réalité tout en gardant la modification d’un nombre conséquent de paramètres contrôleurs pour pouvoir, à la simulation, tester pleins de tailles, formes, angles différents pour obtenir la forme avec le meilleur résultat possible sans avoir à recréer un nouveau modèle à chaque fois.

Les paramètres contrôleurs que nous avons choisi de modifier pour nos simulations sont la forme des creux, et l’angle des riblets.

Modélisation 3D paramétrique des riblets sous Xgenerative Design.

Application industrielle

Nous avons imaginé deux concepts où ce revêtement « peau de requin » pourrait avoir une réelle efficacité dans des produits artificiels :

1. Un échangeur thermique : la capacité autonettoyante des riblets pourrait limiter l’encrassement des tuyaux, comme l’accumulation de calcaire.
2. L’aérodynamisme d’un javelot : dans le domaine du sport de haut niveau, chaque détail et amélioration compte.

Aussi pour simplifier la mise en place à l’échelle industrielle, nous avons imaginé et conçu en 3D un modèle qui serait plus facile à fabriquer que des riblets (voir la photo ci-jointe) et où la symbiose entre création de vortex et guidage des flux serait respectée.

Modélisation 3D du concept simplifié de riblets.

Détails géométriques du modèle simplifié pour la fabrication industrielle.

Simulation

Nous avons utilisé le logiciel Fluent pour simuler un flux d’eau turbulent traversant le modèle à une vitesse de 10 m/s. Le but étant de voir l’impact que les différentes formes de riblets auraient sur les turbulences et les vortex formés.

Nous avons pu constater ces vortex à la simulation, mais des limites logicielles nous ont empêché de tester toutes les formes que nous aurions souhaitées.

Visualisation des vortex générés par la structure de la peau de requin.

Résultats des simulations de flux turbulent sous ANSYS Fluent.