This study presents an effort on comparing the wake flow structures of hovering insects between experimental visualization and computational simulation. The wake flow on a freely hovering hawkmoth was visualized and captured, utilizing a high-speed schlieren photography system with isopropyl alcohol brushed on the wing surfaces. Meanwhile, an Immersed Boundary Method (IBM) based computational fluid dynamics (CFD) simulation was carried out on a hovering hawkmoth to resolve the entire flow field. On each wing of the hovering hawkmoths, both the schlieren photography experiment and the CFD simulation captured and visualized very alike wake structures, consisting of a vortex loop structure in the down-stroke and tip/root vortices in the up-stroke. Furthermore, the experiment and simulation results are compared by measuring the sizes of the vortex structures. The agreement in flow structure formation and its size between the experiment and simulation suggests that the implemented IBM-based CFD simulation method is capable of simulating the actual flow phenomena on the hovering insect with valid flow structure details such as flow structure size. On the other hand, our study confirms the high-speed schlieren photography’s capability of capturing the wake flow structures formation, which is challenging to resolve with other methods.

本研究致力于在实验可视化和计算模拟之间比较悬停昆虫的尾流结构。利用高速纹影摄影系统，在机翼表面刷上异丙醇，对自由盘旋的天蛾的尾流进行可视化和捕捉。同时，对悬停的天蛾进行了基于浸入边界法 (IBM) 的计算流体动力学 (CFD) 模拟，以解析整个流场。在悬停的天蛾的每个机翼上，纹影摄影实验和 CFD 模拟都捕获并可视化了非常相似的尾流结构，包括下冲程中的涡环结构和上冲程中的尖端/根部涡流。此外，通过测量涡流结构的大小来比较实验和模拟结果。实验与模拟之间在流动结构形成及其大小方面的一致性表明，实施的基于 IBM 的 CFD 模拟方法能够模拟悬停昆虫的实际流动现象，并具有有效的流动结构细节，例如流动结构尺寸。另一方面，我们的研究证实了高速纹影摄影捕捉尾流结构形成的能力，这是其他方法难以解决的挑战。实验与模拟之间在流动结构形成及其大小方面的一致性表明，实施的基于 IBM 的 CFD 模拟方法能够模拟悬停昆虫的实际流动现象，并具有有效的流动结构细节，例如流动结构尺寸。另一方面，我们的研究证实了高速纹影摄影捕捉尾流结构形成的能力，这是其他方法难以解决的挑战。实验与模拟之间在流动结构形成及其大小方面的一致性表明，实施的基于 IBM 的 CFD 模拟方法能够模拟悬停昆虫的实际流动现象，并具有有效的流动结构细节，例如流动结构尺寸。另一方面，我们的研究证实了高速纹影摄影捕捉尾流结构形成的能力，这是其他方法难以解决的挑战。